Kilka słów o wodzie

[Stiep]

Witam,
Często na forach akwarystycznych pojawia się pytanie: Jak zmiękczyć wodę? Odpowiedź jest z reguły w stylu: dodaj destylki, demineralki albo RO. Wszystko fajnie bo odpowiedź jest prawidłowa, ale większość osób nie zdaje sobie sprawy co te określenia znaczą. Faktem jest, że wszystkie metody dają w efekcie czyste H2O, ale zasada jego otrzymywania jest różna. Posiadają one zalety i wady, a dobór metody zależy od wiedzy i umiejętności, ale przede wszystkim od wygody użytkownika.

Czyli po kolei:

1. Najszybszy sposób, ale też najdroższy. Idziemy do marketu lub na stację benzynową i kupujemy oferowaną tam wodę. Z reguły będzie się ona nazywać WODA DEMINERALIZOWANA. Koszt pojedynczego litra jest niewielki, ale przy dużym zapotrzebowaniu kompletnie się nie opłaca, że o lataniu z baniakami nie wspomnę.

2. Woda destylowana

Zasada jej pozyskania polega na doprowadzeniu wody do wrzenia, a następnie jej skropleniu. Ze względu na relatywnie wysoką temperaturę wrzenia wody oraz jej duże ciepło parowania 2257 kJ/kg (dla porównanie dla etanolu 879 kJ/kg) otrzymanie wody destylowanej wymaga dużego nakładu energii i z tego względu jest wysoce nieekonomiczne. Dodatkowo woda taka najczęściej jest pozyskiwana w instalacjach wykonanych z miedzi i może zawierać kationy Cu2+, co dyskwalifikuje ją dla zastosowań w hodowli krewetek. Metoda te nie pozwala też usunąć z wody substancji lotnych, np. alkoholi czy chloroformu.

3. Woda demineralizowana

Otrzymuje się ją przy użyciu żywic jonowymiennych (inaczej nazywanych wymieniaczami jonowymi). Istnieją 2 rodzaje tych żywic: kationity (usuwające z wody kationy, głównie Mg2+ i Ca2+) oraz anionity odpowiedzialne za usuwanie anionów: siarczanów, chlorków, fosforanów, azotanów, wodorowęglanów. Wymieniacze jonowe są to nierozpuszczalne w wodzie związki wielkocząsteczkowe (polimery), które w swojej budowie chemicznej zawierają:
- polimerową makrocząsteczkę
- grupę funkcyjną o charakterze jonowym związaną w sposób trwały z makrocząsteczką
- ruchliwy jon o ładunku przeciwnym do ładunku grupy funkcyjnej
Dla lepszego zobrazowania na poniższym schemacie przedstawiam strukturę kationitu na bazie sulfonowanego polistyrenu. Na czarno część polimerowa, na czerwono grupa sulfonowa z ruchliwym jonem wodorowym H. niebiesko grupa funkcyjna o charakterze jonowym (w tym przypadku sulfonowa), a na czerwono ruchliwy jon (wodorowy).

   

Właśnie ten jon może zostać zastąpiony przez kation metalu, czyli związany z kationitem co skutkuje jego trwałym usunięciem z wody = jej zmiękczeniem. Aniony można usunąć stosując anionit, a kombinacja kationit + anionit może usunąć z wody wszystkie substancje jonowe. Po wyczerpaniu możliwości jonowymiennych żywicy, można ją łatwo zregenerować przy pomocy roztworu kwasu, np. solnego.

Poniżej struktura żywicy, która wymienia aniony, tzw. anionit. W tym przypadku na niebiesko oznaczono czwartorzędową grupę amoniową, która może wymieniać chlorki (Cl) na inne aniony.

   

Jonity występują w postaci granulek o średnicy od części do kilku milimetrów.
Zaletą tej metody jest niski koszt zakupu i eksploatacji, wadą konieczność okresowej regeneracji jonitu i konieczność monitorowania parametrów otrzymywanej wody. W procesie tym zwykle nie są usuwane zanieczyszczenia organiczne, wirusy czy bakterie.
Ciekawy artykuł o chemii żywic jonowymiennych można znaleźć pod adresem: http://www.tomek.strony.ug.edu.pl/kationit .


4. Woda RO (Reverse Osmosis) czyli woda otrzymana metodą odwróconej osmozy.

Odwrócona osmoza według definicji to wymuszona dyfuzja rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną rozdzielającą dwa roztwory o różnym stężeniu. W przeciwieństwie do osmozy spontanicznej, odwrócona osmoza zachodzi od roztworu o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o stężeniu niższym, czyli prowadzi do zwiększenia różnicy stężeń obu roztworów. A w tłumaczeniu z polskiego na nasze to przenikanie cząsteczek wody przez półprzepuszczalną, zwiniętą membranę wywołane ciśnieniem wody wodociągowej. Przez membranę nie mogą przenikać (lub przenikają w bardzo niewielkim stopniu) cząsteczki zanieczyszczeń takie jak jony, polimery, białka, bakterie, wirusy czy inne zanieczyszczenia organiczne. Spora część wody zawierająca zagęszczone zanieczyszczenia nie przenika przez membranę i usuwana jest do ścieków. Jest to główna wada tej metody: na 1 litr oczyszczonej wody przypada kilka litrów ścieku. Stosunek ten zależy od rodzaju membrany i ciśnienia wody na wejściu do filtra RO. Woda podawana na membranę musi być wstępnie oczyszczona z „grubszych ” zanieczyszczeń, co ma na celu zwiększenie jej żywotności. Stosuje się w tym celu prefiltry, najczęściej węglowy i mechaniczny (polipropylenowy).
Zaleta metody to praktycznie bezobsługowość – wystarczy odkręcić zawór i podstawić baniak na wodę. Wady to duże zużycie wody, duże koszty początkowe, konieczność okresowej wymiany prefiltrów, utrzymywanie wilgotności membrany.

________________________________________________________________________________​__________________

To teraz o tym jak obliczyć ilość wody RO i kranówki, żeby uzyskać założone parametry twardości. Korzystamy z tzw. metody krzyżowej. Już tłumacze jak to działa.
Zakładamy że nasza kranówa ma twardość ogólna np. 20, a my chcemy uzyskać np. 8 stopni niemieckich. Woda RO ma ten parametr zerowy.

20.............8_________(tyle części wody kranowej)
......\....../
.........8
....../......\
.0..............12________(tyle części wody RO)

Tworzymy taki oto diagram, w którym po lewej wpisujemy wartości roztworów które mieszamy, a po środku wartość docelową. Teraz bardzo skomplikowana operacja matematyczna: odejmowanie. Po skosie odejmujemy mniejszą wartość od większej: czyli 20-8=12 i 8-0=8.
Odpowiedź w naszym zadaniu brzmi: Aby otrzymać wodę o twardości ogólnej 8 należy zmieszać 8 litrów kranówki i 12 litrów RO.


Mam nadzieję że Was nie zanudziłem i pomogłem w zrozumieniu rozległego tematu nazywanego ogólnie chemią wody. Jeśli coś jest nadal niejasne to chętnie wytłumaczę dokładniej.