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Deionisiertes und demineralisiertes Wasser

Über deionisiertes, demineralisiertes sowie destilliertes Wasser und Messung der Reinheit solcher Wässer

Es ist recht schwer eine klare Definition für destilliertes, demineralisiertes und deionisiertes Wasser zu finden. Wahrscheinlich ist als der einfachste Einstieg in das Gebiet der Herstellung von (hoch)reinem Wasser die Erzeugung von destilliertem Wasser zu betrachten.

Die Destillation ist eine der ältesten und bekanntesten Methoden zur Erzeugung von reinem Wasser. Das Rohwasser wird in einem Destillierapparat verdampft und in einer Kühleinheit (Kondensator) wieder zu flüssigem Wasser kondensiert. Gelöste Inhaltsstoffe wie Salze verbleiben im Verdampfungskessel während das Wasser diesen in Form von Dampf verlässt. Neben den Salzen kann das Rohwasser jedoch flüchtige Stoffe enthalten, die wie Wasser verdampfen und kondensieren. Zu diesen gehören vor allem Alkohole. Höherwertige Destillationsapparate können selektiv allein Wasser neben anderen vorhandenen Inhaltsstoffen destillieren. Jedoch kann ein Übertritt von flüchtigen Substanzen und geringen Mengen nichtflüchtiger Inhaltsstoffe durch platzende Wasserblasen nicht vollständig vermieden werden. Die höchsten Reinheitsgrade, die mit solchen Destillierapparaten erreicht werden können, betragen 1,0 MΩ.cm. Der pH-Wert des erzeugten destillierten Wassers wird leicht sauer (4,5 – 5,0), wenn sich Kohlendioxid aus der Umgebungsluft darin lösen kann.

Deionisation: Prozess unter der Verwendung von speziellen Ionenaustauschern, welche die Ionen der Salze aus dem Wasser entfernen. Theoretisch können 100 % der enthaltenen Salze entfernt werden. Die Deionisation reduziert keine organischen Bestandteile des Wassers sowie Viren oder Bakterien. Es kommt jedoch vor, dass diese zufällig in den Ionenaustauscherharzen zurückbleiben, vor allem stark basische Anionenaustauscherharze können gram-negative Bakterien entfernen. [4]

Demineralisation: Jeder Prozess, der zur Entfernung von Mineralien aus dem Wasser angewendet wird. Im Allgemeinen wird dieser Begriff für Ionenaustauschprozesse benutzt. [1]

Hoch reines Wasser, Reinstwasser: Ist intensiv behandeltes Wasser, welches einen hohen spezifischen Widerstand und keine organischen Bestandteile aufweist. Es wird hauptsächlich in der Halbleiter- und pharmazeutischen Industrie benötigt. [4]

Die Deionisation erfolgt durch die Bindung von gelösten elektrisch geladenen Wasserinhaltsstoffen an Kationen- oder Anionenaustauscherharze. Die Harze befinden sich in Behältern und werden vom zu behandelnden Wasser durchströmt. Der gesamte Prozess wird als Ionenaustausch bezeichnet und kann in verschiedenen Anwendungsausführungen zur Herstellung von deionisiertem Wasser genutzt werden.

  • Stark saurer Kationen + stark basischer Anionen Austauscher

    Diese Systeme bestehen aus zwei Behältern – einer gefüllt mit Kationenaustauscherharz der H+-Form und ein weiterer mit Anionenaustauscherharz der OH--Form. Zuerst wird der stark saure Kationenaustauscher mit Rohwasser beschickt, so dass ein Austausch von im Wasser vorhandenen Kationen gegen Hydrogenionen (H+) erfolgt. Im Anschluss wird der stark basische Anionenaustauscher vom zu behandelnden Wasser durchströmt, um negativ geladene Ionen gegen Hydroxidionen (OH-) auszutauschen. Die eingetragenen Hydrogen- (H+) und Hydroxdionen (OH-) verbinden sich zu Wasser (H2O). [2]
    Diese Anordnung von Ionenaustauschern kann nahezu alle sich im Wasser befindlichen Ionen entfernen. In vielen Fällen ist es ratsam vor der Beschickung des Anionenaustauschers eine CO2-Entgasung vorzuschalten, um die Ionenkonzentration, die dem Anionenaustauscher zugeführt wird, zu reduzieren. Die Entgasung erreicht eine Reduktion des CO2-Gehaltes um einige mg/l, wodurch eine geringere Menge des stark basischen Anionenaustauscherharzes benötigt wird. Zusätzlich können durch diese Maßnahmen Regenerierungschemikalien eingespart werden.
    Im Allgemeinen ist die Verwendung eines stark sauren Kationen- und eines stark basischen Anionenaustauschers die Grundanordnung um deionisiertes Wasser für eine Vielzahl von Anwendungen zu erzeugen. [3]

  • Stark saurer Kationen + schwach basicher Anionen + stark basischer Anionenaustauscher

    Die im Titel beschriebene Kombination von Ionenaustauschern stellt eine Erweiterung der im vorangegangenem Absatz beschriebenen Variante dar. Mit dieser Anordnung kann qualitativ hochwertiges deionisiertes Wasser, unter gleichzeitiger Ausnutzung von ökonomischen Vorteilen bei der Aufbereitung von Rohwasser mit hohen Konzentrationen starker Anionen (Chloriten und Sulfaten), hergestellt werden. Wie bereits der Titel zeigt besteht das System aus einem zusätzlichen schwach basischen Anionenaustauscher vor dem stark basischen Austauscher. Die optionale Kohlendioxidentgasung kann entweder nach dem Kationen- oder zwischen den beiden Anionenaustauschern installiert werden. (siehe untenstehende Abbildung)
    Die Regeneration der Anionenaustauscher erfolgt mit Natronlauge (NaOH), welche zuerst über das stark basische Anionenaustauscherharz und anschließend über das schwach basische Harz geleitet wird. Diese Vorgehensweise verbraucht effektiv weniger Natronlauge (NaOH), da die Regenerierchemikalie nach Passage des Kationenaustauschers noch wirkungsvoll für das schwach basische Anionenaustauscherharz verwendet werden kann. Darüber hinaus nimmt das schwach basische Harz eine Schutzfunktion für das stark basische Anionenaustauscherharz ein, wenn Rohwasser mit einem hohen Anteil an organischer Materie behandelt wird. [3]

  • Mischbett Ionenaustauscher

    Bei der Mischbett Deionisation liegen die Kationen- und Anionenaustauscherharze gemischt in einem Druckbehälter vor. Die beiden Harze werden durch Drucklufteinwirkung gemischt, so dass das gesamte Bett als eine unbegrenzte Anzahl von Kationen- und Anionenaustauschern in Reihe betrachtet werden kann. [2,3]

    Um die Regeneration des Mischbettionenaustauschers ausführen zu können müssen die beiden Harze hydraulisch getrennt werden. Da das Anionenaustauscherharz leichter als das Kationenaustauscherharz ist, steigt es an die Oberfläche, während sich das Kationenaustauscherharz am Boden ansammelt. Nach der Separation erfolgt die Regeneration mit Natronlauge und einer starken Säure. Überschüssige Regenerierchemikalien müssen durch eine für jedes Bett separat durchgeführte Spülung ausgetragen werden.
    Mischbettionenaustauscher weisen die folgenden Vorteile auf:

    - das erzeugte Wasser besitzt eine sehr hohe Reinheit
    - die Qualität des Reinwassers bleibt während der Herstellungsphase konstant
    - der pH-Wert ist nahezu neutral
    - der Spülwasserbedarf ist sehr gering

    Als nachteilig lassen sich die geringe Austauschkapazität und der aufwendige Betrieb, mit Separation und Wiedervermischung für die Regeneration, bezeichnen. [3]

Neben dem Ionenaustausch besteht die Möglichkeit deionisiertes Wasser durch Umkehrosmoseanlagen herzustellen. Die Umkehrosmose ist die bisher feinste bekannte Filtration. Der Prozess ermöglicht die Entfernung von Kleinstpartikeln aus Lösungen. Die Umkehrosmose wird zur Wasserbehandlung, Entfernung von Salzen und anderen Fremdstoffen eingesetzt, um Farbe, Geschmack und andere Eigenschaften eines Fluides zu verbessern. Weiterhin eignet sich das Verfahren zur Zurückhaltung von Bakterien, Salzen, Zuckern, Proteinen, Partikeln, Farbstoffen und weiteren Bestandteilen mit einem Molekulargewicht von mehr als 150-250 Dalton.
Das Verfahren kann als so genanntes „single-pass“ System sehr hohe Reinheiten erzeugen. Noch höhere Reinheitsgrade werden mit dem „double-pass“ System mit Rückhaltegraden von 99,9 % bei Viren und Bakterien erreicht. Drücke im Bereich von 3,4 bis 69 bar sind die Triebkraft für den Umkehrosmoseprozess. Er ist dadurch wesentlich energieintensiver als Phasenumwandlungsprozesse wie die Destillation, jedoch gleichzeitig effektiver als die Ionenaustauschverfahren, welche zusätzlich einen hohen Regenerierchemikalienbedarf aufweisen. Die Rückhaltung von Ionen wird bei der Umkehrosmose durch geladene Partikel unterstützt. Dies hat zur Folge, dass geladene Ionen wie Salze besser von Umkehrosmosemembranen zurückgehalten werden können als ungeladene Partikel wie z.B. Organika. So lässt sich sagen, je höher die Ladung und je größer ein Partikel ist, desto besser wird es bei der Umkehrosmose aus dem Rohwasser entfernt. [4]

Messung der Reinheit von deionisiertem Wasser

Die Bestimmung der Reinheit von Wassers kann mit verschiedenen Methoden erfolgen. Dazu zählt die Erfassung des Gewichts aller gelösten Stoffe im Wasser. Zusätzlich zur Gewichtserfassung von Fremdstoffen lässt sich deren Menge bestimmen, in dem ihr Einfluss auf die Erhöhung des Siedepunktes bzw. die Verringerung des Gefrierpunktes von Wasser ausgenutzt wird. Der Lichtbrechungsindex wird ebenfalls von Feststoffen im Wasser beeinflusst. Alternativ kann die Reinheit auf der Basis der elektrischen Leitfähigkeit oder des Widerstandes bestimmt werden. Deionisierte Wässer enthalten kaum Ionen, so dass sie eine geringe elektrische Leitfähigkeit und einen hohen Widerstand aufweisen.

Hoch reines Wasser (Ultra-pure water) Reines Wasser (pure water) Gereinigtes Wasser (purified water)
Widerstand 10-18 MΩ.cm 1-10 MΩ.cm 1-0,02 MΩ.cm
Leitfähigkeit 0,1-0,0555 µS/cm 1,0-0,1 µS/cm 1-50 µS/cm
Herstellungsprozess Mischbettionenaustauscher Stark basisches Mischbettsystem Schwach basisches Mischbettsystem

pH-Wert

Reines Wasser weist meist einen leicht sauren pH-Wert auf und destilliertes Wasser kann pH-Werte von etwa 5,8 erreichen. Die Begründung dafür, ist in der Tatsache, dass destilliertes Wasser Kohlendioxid aus der Umgebungsluft löst, zu sehen. Das Kohlendioxid wird solange aufgenommen bis sich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Wasser und Umgebungsluft einstellt. Die letztendlich im Wasser gelöste Kohlendioxidmenge wird von der Kohlendioxidkonzentration in der umgebenden Atmosphäre bestimmt. Das gelöste Kohlendioxid reagiert mit dem Wasser und bildet schließlich Kohlensäure.

2 H2O + CO2 --> H2O + H2CO3 (Kohlensäure) --> (H30+) + (HCO3-) (Hydrogenkarbonat)

Nur frisch hergestelltes destilliertes Wasser weist einen pH-Wert von etwa 7 auf, sobald es jedoch durch die Anwesenheit von Kohlendioxid beeinflusst wird stellt sich im Laufe weniger Stunden ein leicht saurer pH-Wert ein. Des Weiteren ist darauf hinzuweisen, dass der pH-Wert von Reinstwasser schwer bestimmbar ist. Reinstwasser nimmt aufgrund seiner Reinheit nicht nur sehr schnell Verunreinigungen, welche den pH-Wert beeinflussen (z.B. Kohlendioxid), auf, sondern es erschwert durch seine geringe Leitfähigkeit die pH-Wertmessung.
Die Aufnahme von nur wenigen ppm Kohlendioxid kann bei hoch reinem Wasser zu einem pH von 4,5 führen, obwohl das Wasser nach wie vor eine hohe Qualität besitzt.

Eine genaue pH-Wert Ermittlung für Reinstwasser ermöglicht die Bestimmung des elektrischen Widerstandes. Für einen gegebenen Widerstandswert muss der pH-Wert im Bereich bestimmter Grenzen liegen. Zum Beispiel müsste eine Wasserprobe mit einem elektrischen Widerstand von 10 MWcm einen pH-Wert im Bereich von 6,6 und 7,6 aufweisen. Diese Beziehung zwischen elektrischen Widerstand und pH-Wert von hoch reinem Wasser wird in der nebenstehenden Abbildung dargestellt. [2]

Auf der Abszisse ist der pH-Wert abgebildet und auf der Ordinate der elektrische Widerstand in MΩ/cm.

Kleiner Vergleich

Im Vergleich zu Getränken ist der pH-Wert von destilliertem Wasser jedoch nur schwach sauer.

Getränke pH-Wert
Milch 6,5
destilliertes Wasser 5,8
Bier 4,0-5,0
Kaffee 2,5-3,5
Orangensaft 3,5
Erfrischungsgetränke 2,0-4,0
Cola 2,5
Wein 2,3-3,8
(Magensäure) 1,0-2,0
(Batteriesäure) 1,0

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