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La purificación de agua

Métodos de purificación de agua

Destilación

Intercambio iónico

Ósmosis inversa

Adsorción de carbón activado

Filtración microporosa

Ultrafiltración

Fotooxidación

Destilación

La destilación es un proceso de purificación de agua de eficacia comprobada durante mucho tiempo en el que el agua es tratada hasta que se evapora y el vapor se condensa y recoge. El equipo necesario no es muy caro, pero consume mucha energía. Normalmente utiliza 1kW de electricidad por litro de agua producida. Según el diseño del alambique, el agua destilada puede tener una resistividad de unos 1 MΩ-cm y será estéril cuando se produzca en el momento si se utiliza equipo diseñado específicamente, pero no así si no se almacena cuidadosamente. Además, las impurezas volátiles tales como el dióxido de carbono, sílice, amoníaco y varios compuestos orgánicos ‘pasarán’ al destilado.

¿Cuáles son los inconvenientes de la destilación?

La destilación sólo produce agua purificada de forma lenta. No es un proceso bajo demanda y, por esta razón, se debe destilar y almacenar una cantidad de agua para utilizarla posteriormente. Este almacenamiento del destilado puede ser problemático si el depósito donde se almacena el agua no está fabricado de un material inerte. Los iones o plastificantes se filtrarán del depósito y recontaminarán el agua. Además, las bacterias crecen muy bien en el agua que permanece en reposo durante tiempo.

Para mantener la esterilidad, se utilizan frascos de almacenamiento estériles y el agua recogida se esteriliza mediante autoclave. Sin embargo, cuando se abre el

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frasco, queda expuesto a las bacterias y comienza la contaminación.En zonas de aguas duras, los alambiques requieren una frecuente limpieza con ácido debido a la acumulación de incrustaciones, a menos que el agua de alimentación esté tratada previamente mediante ablandamiento u ósmosis inversa.

Intercambio iónico

El intercambio iónico se utiliza en gran medida en los laboratorios para proporcionar agua purificada bajo demanda. Los desionizadores de laboratorio incorporan cartuchos de lecho mixto de resinas de intercambio iónico que, o bien pasan a una estación de regeneración para su recarga cuando se agotan o bien se desechan. ELGA fue el primero en aplicar el concepto de regeneración colectiva de resinas de intercambio iónico, y sus estaciones de regeneración están entre las más grandes del mundo.

Los aniones y cationes del agua de alimentación se eliminan mediante resinas de intercambio iónico, y se

reemplazan por iones hidrógeno e hidróxilo de la resina. Los iones hidrógeno e hidróxilo se combinan para formar

moléculas de agua.

¿Cómo funciona el intercambio iónico?

El intercambio iónico actúa intercambiando los iones hidrógeno de los contaminantes catiónicos y los iones hidróxilo de los contaminantes aniónicos en el agua de alimentación. Los lechos de las resinas de intercambio iónico están compuestos de pequeñas perlas esféricas por las que pasa el agua de alimentación. Después de un período de tiempo, los cationes y aniones habrán sustituido la mayor parte de los puntos activos de hidrógeno e hidróxilo en las resinas, y será necesario reemplazar o regenerar los cartuchos.

¿Cuáles son las ventajas del intercambio iónico?

El intercambio iónico tiene muchas ventajas sobre la destilación para la producción de agua purificada. En primer lugar, es un proceso bajo demanda; el agua está disponible cuando es necesaria. En segundo lugar, cuando se utilizan materiales de resina de alta pureza, todo el material iónico se eliminará con eficacia del agua para producir una resistividad máxima de 18,2 MΩ-cm (a 25ºC). Los pequeños fragmentos de los materiales de resina de intercambio iónico se pueden eliminar del cartucho mediante la circulación del agua. Por lo tanto, el intercambio iónico se debe utilizar en conjunción con filtros si se requiere agua libre de partículas. Debido a que las bacterias crecen rápidamente en el agua estancada, los cartuchos se pueden contaminar si no se utilizan frecuentemente. El problema se soluciona mediante la recirculación frecuente del agua para inhibir la acumulación bacteriana y mediante la sustitución habitual o la regeneración de las resinas, ya que los productos químicos de regeneración son desinfectantes poderosos.

El intercambio iónico sólo eliminará compuestos orgánicos polares del agua, y los compuestos orgánicos disueltos pueden ensuciar las perlas de intercambio iónico, disminuyendo su capacidad. Cuando se necesite agua orgánica e inorgánicamente pura, la combinación de ósmosis inversa seguido de intercambio iónico es especialmente efectiva.

Han existido muchos intentos de solucionar algunas de las limitaciones del intercambio iónico y la destilación. En algunos sistemas, la destilación ha precedido al intercambio iónico (los cartuchos duran mucho más), pero el problema de las bacterias permanece. En otros sistemas, el intercambio iónico ha precedido a la destilación, pero los problemas de almacenamiento y de no tener agua bajo demanda permanecen.

Electrodesionización

La electrodesionización es un proceso de purificación activado eléctricamente e incluye una combinación de resinas de intercambio iónico y membranas selectivas de iones. La electrodesionización, que normalmente se combina con la ósmosis inversa, ofrece una alternativa útil a otros métodos de purificación. Ofrece agua reactiva de laboratorio a volúmenes elevados sin necesidad de tener cartuchos de desionización. Este enfoque evita la disminución en la calidad del agua producida que se asocia con los cartuchos a medida que se gastan, y reduce los costes que implica la sustitución de los cartuchos.

¿Cómo funciona la electrodesionización?

La electrodesionización ha evolucionado a partir de la electrodiálisis. El principio de la electrodiálisis es la purificación del agua en una cubeta que contiene dos tipos de membranas selectivas de iones (permeables a cationes y aniones) y situadas entre un par de electrodos. Cuando se aplica un potencial eléctrico directo a través de la cubeta, los cationes del agua se envían hacia el cátodo cargado positivamente. Los cationes pueden pasar por la membrana permeable a los cationes, pero no por la permeable a los aniones. De igual forma, los aniones pueden pasar por la membrana permeable a los aniones, pero no por la permeable a los cationes. El resultado neto es el movimiento de iones entre las cámaras, y el agua en una sección puede desionizarse mientras que en la otra sección el agua está más concentrada.

En la práctica, la electrodiálisis sólo se puede utilizar de forma rentable para producir agua de una conductividad relativamente alta (200 µS/cm o más) debido a los voltajes eléctricos prohibitivamente altos que son necesarios para impulsar los iones a través de un agua cada vez de mayor pureza.

Este problema se soluciona con la tecnología de electrodesionización rellenando los espacios entre las membranas con resinas de intercambio iónico. Las resinas proporcionan un flujo conductivo para el transporte de iones, lo que permite que la desionización sea prácticamente completa, produciendo agua de alta pureza. Una ventaja adicional de la electrodesionización es que la electrolisis continua del agua que ocurre en la cubeta produce iones hidrógeno e hidróxilo. Estos iones mantienen las resinas en un estado muy regenerado, evitando la realización de una reactivación química. Las

resinas utilizadas en sistemas de electrodesionización pueden ser cámaras separadas de perlas de aniones o cationes, capas de cada tipo en una sola cámara o una mezcla de perlas de aniones y cationes.

Algunos sistemas de electrodesionización incorporan perlas de resina combinadas en varias cubetas estrechas, lo que resulta especialmente eficaz en instalaciones de gran escala para aplicaciones farmacéuticas o de otro tipo. Vivendi Water Systems, la empresa matriz de ELGA, es el principal proveedor de una amplia gama de tecnologías de electrodesionización que se utilizan en estas aplicaciones de gran escala.

El proceso ADEPT (Desionización Avanzada mediante Tecnología de Purificación Eléctrica) de ELGA utiliza lechos separados de resinas de cationes y aniones, así como un lecho de resinas íntimamente mezcladas. Los lechos separados de resinas aniónicas y catiónicas se sitúan en cubetas anchas que permiten el flujo de los iones en tránsito. Esto ofrece ventajas en la flexibilidad del diseño y la sencillez mecánica a escala de laboratorio. El volumen relativamente alto de resina en las cubetas ofrece protección contra los cambios en la calidad del agua de alimentación. La calidad del agua producida se mejora aún más mediante un lecho de resinas mezcladas.

El proceso de paso múltiple en el que el agua de alimentación prepurificada por ósmosis inversa fluye a través de un lecho de intercambio de cationes, un lecho de intercambio de aniones y un lecho de resinas mezcladas es similar a una gran cantidad de sistemas de purificación de agua de alta pureza.

Normalmente, el agua producida tiene una resistividad de 10-18 MΩ-cm (a 25°C) y un contenido de carbono orgánico total inferior a 20 ppb. Los niveles bacterianos se minimizan debido a que las condiciones químicas y eléctricas del interior del sistema inhiben el crecimiento de microorganismos.

La electrodesionización complementa de forma muy eficaz la ósmosis inversa. La ósmosis inversa es un proceso que actúa por presión, en el que el se eliminan los contaminantes del agua a medida que pasa por la membrana. Sin embargo, no elimina todas las especies iónicas y no puede eliminar las especies disueltas como el dióxido de carbono. La electrodesionización puede eliminar el dióxido de carbono así como otras especies de ionización débil, como la sílice, ionizándolas y pasándolas por la membrana.

Ósmosis inversa

La ósmosis inversa es un proceso que soluciona muchas de las deficiencias de la destilación y el intercambio iónico. Para explicar la ósmosis inversa, primero

analizaremos la ósmosis. La ósmosis es un proceso natural que se produce siempre que una solución diluida se separa de una solución concentrada mediante una membrana semipermeable. El agua, impulsada por una fuerza ocasionada por la diferencia de concentración – la presión osmótica – pasa por la membrana en la solución concentrada. El flujo del agua continúa hasta que la solución concentrada está diluida, y la contrapresión evita que se produzcan otros flujos a través de la membrana (equilibrio osmótico).

Si se aplica una presión mayor que la presión osmótica en el lado de mayor concentración de la membrana, la dirección normal del flujo osmótico se invierte, el agua pura pasa por la membrana desde la solución concentrada y se separa así de sus contaminantes. Este es el principio básico de la ósmosis inversa (en ocasiones denominada hiperfiltración).

En la práctica, el agua de alimentación se bombea a un recipiente de presión que contiene una espiral o un conjunto de fibras huecas de membranas semipermeables. El agua purificada pasa por la membrana para formar el ‘permeado’. Los contaminantes se acumulan en el agua residual, denominada ‘concentrado’, que se purga continuamente hasta su vaciado. La última generación de membranas de material compuesto de película fina de poliamida para ósmosis inversa que han sustituido a las primeras membranas de celulosa eliminan el 95-98% de iones inorgánicos, junto con prácticamente todos los contaminantes no iónicos de mayor tamaño y moléculas orgánicas con un peso molecular mayor que 100. Los gases disueltos no se eliminan.

Las membranas de material compuesto de película fina se utilizan en todos los equipos de ósmosis inversa de los laboratorios de ELGA.

Gracias a su excepcional eficacia de purificación, la ósmosis inversa es una tecnología muy rentable para un sistema de purificación de agua. Sin embargo, está limitada por el índice relativamente lento de producción y, por lo tanto, se utiliza normalmente para rellenar un depósito antes del uso o de una purificación adicional. La ósmosis inversa ofrece protección al sistema frente a las bacterias y pirógenos, y a menudo se combina con el intercambio iónico para mejorar considerablemente la calidad del agua producida.

Medios de adsorción

El carbón activado, preparado mediante la pirolización de cáscara de coco, carbón o perlas de resina, elimina el cloro mediante un mecanismo catalítico y los compuestos orgánicos disueltos mediante adsorción, y a menudo se encuentra en dos ubicaciones en un sistema de purificación de agua. El carbón se puede utilizar en forma de gránulos o en bloques más prácticos. Debido a que las membranas de material compuesto de película fina para ósmosis inversa pueden dañarse por una exposición excesiva al cloro libre y, en menor medida, pueden contaminarse por compuestos orgánicos disueltos, el carbón activado se sitúa en ocasiones antes de la membrana de ósmosis inversa para eliminar estos contaminantes.

Los filtros de carbón activado a menudo se ubican en el circuito de limpieza de un sistema de purificación de agua para eliminar las trazas de los compuestos orgánicos disueltos antes del intercambio iónico final.

ELGA utiliza otros medios de adsorción además del carbón activado. Por ejemplo "Adsorb" es un producto que tiene un amplio conjunto de tamaños de poro e incorpora tanto carbón como material inorgánico. Como resultado, Adsorb puede eliminar las impurezas orgánicas e inorgánicas del agua. Las resinas de intercambio de aniones macroporosas (que normalmente actúan en la forma de cloruro) también se emplean en los equipos ELGA, y son especialmente eficaces a la hora de eliminar contaminantes orgánicos grandes de formación natural, tales como ácidos húmicos y fúlvicos del agua de alimentación.

Filtración microporosa

Las membranas de filtración microporosa ofrecen una barrera física al paso de partículas y microorganismos, y tiene valores absolutos de hasta 0,1 micras. Algunos sistemas ELGA también incluyen "ultramicro filtros" con un valor de 0,05 micras. La mayoría de aguas sin depurar contienen coloides, que tienen una pequeña carga negativa (medida por el potencial Zeta). El rendimiento del filtro se puede mejorar utilizando microfiltros que incluyen una superficie modificada que atraerá y retendrá estos coloides de formación natural, los cuales son generalmente mucho más pequeños que los tamaños de poro en la membrana. Los microfiltros con un tamaño de poro absoluto de 0,2 micras se utilizan mucho en los sistemas de tratamiento de agua. Atrapan los contaminantes, incluyendo disgregados de carbón de cartuchos de adsorción orgánica, partículas de resina de cartuchos de intercambio iónico y bacterias.

El filtro submicrométrico se puede acoplar al surtidor, de forma que el último filtro por donde pasa el agua antes de que se utilice sea el filtro submicrométrico.

Un enfoque alternativo es incluir el filtro submicrométrico en el circuito de recirculación para eliminar continuamente las bacterias del agua purificada. Los filtros submicrométricos también se deben situar en puntos críticos de uso para ofrecer una protección absoluta y para evitar la recontaminación del sistema por parte de bacterias que acceden por esta trayectoria.

Las membranas microporosas generalmente se consideran indispensables en un sistema de purificación de agua, a menos que se sustituyan por un ultrafiltro.

Ultrafiltración

La ultrafiltración utiliza una membrana muy similar en diseño a la ósmosis inversa, excepto que los poros del ultrafiltro son ligeramente más grandes, de 0,001 a 0,02 micras. Para la eliminación de pirógenos, los poros de un ultrafiltro deben ser de un diámetro aproximado de 0,002 micras o menos, y deben excluir todas las moléculas con un peso molecular de 5.000 o más grandes.

Los ultrafiltros se pueden utilizar de forma similar a las membranas microporosas, pero también se pueden configurar para que una pequeña parte del agua de

alimentación circule tangencialmente en la membrana para minimizar la acumulación de contaminantes y el crecimiento de bacterias. La ultrafiltración es una excelente tecnología para garantizar una calidad homogénea de agua ultra pura en relación con partículas, bacterias y pirógenos.

Fotooxidación

La fotooxidación utiliza radiación ultravioleta de alta intensidad para destruir las bacterias y otros microorganismos y para disgregar e ionizar todos los compuestos orgánicos para su posterior eliminación mediante cartuchos de intercambio iónico. La radiación con una longitud de onda de 254 nm tiene la más potente acción bactericida, y la radiación con longitudes de onda corta (185 nm) es la más eficaz para la oxidación de compuestos orgánicos.

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