artykuł do pobrania

Armatura laboratoryjna do wody demineralizowanej - która będzie
najlepsza?
Mgr inż. Thomas Gasdorf jest prezesem spółki Broen Armaturen GmbH. Jako urzędujący
przewodniczący komisji roboczej Armatura laboratoryjna Niemieckiego Instytutu
Normalizacyjnego [niem. Deutsches Institut für Normung] we Frankfurcie uczestniczy
bezpośrednio w opracowywaniu niemieckich i europejskich norm armatury laboratoryjnej
oraz pryszniców bezpieczeństwa.
Woda demineralizowana odgrywa w laboratoriach coraz większą rolę. Początkowo stosowano ją głównie do
czyszczenia i płukania, jednak z czasem znalazła znacznie szersze zastosowanie.
Kiedyś w praktyce wystarczyła niejednokrotnie czystość wody destylowanej. Istotnej roli nie odgrywało również
zachowanie dokładnie zdefiniowanego stopnia czystości. W pracy dzisiejszego laboratorium pojawiają się coraz
częściej czynności, w przypadku których woda jest wykorzystywana jako rozpuszczalnik do przeprowadzenia
niezwykle dokładnych analiz. I tak np. niektóre badania z zakresu biotechnologii wymagają wody, która musi
być całkowicie wolna od nukleazy, DNA i drobnoustrojów chorobotwórczych (pirogenów). Także takie
zastosowania jak np. w hodowli ryb, gdzie ściśle zdefiniowany poziom składników mineralnych osiąga się
poprzez dodanie ich do wody demineralizowanej, stają się w coraz większym stopniu częścią zakresu
wykorzystania wody uzdatnionej. Inne typowe obszary zastosowania to produkcja leków, przemysł
półprzewodników, produkcja ogniw słonecznych, fotolitografia czy elektrownie (jako woda zasilająca). Takie
wykorzystanie wymaga wysokiej czystości i całkowitego odsolenia wody. Należy przy tym możliwie
maksymalnie ograniczyć wahania parametrów przewodnictwa podczas realizacji poniżej opisanych etapów
procesu.
Terminologia
Bardzo trudno jest podać jasną definicję wody uzdatnionej. Standardowy termin „woda destylowana” odnosi się
do wcześniej powszechnie wykorzystywanej metody jej wytwarzania poprzez destylację. W przypadku tej
metody woda nieuzdatniona jest odparowywana w aparacie destylacyjnym i skraplana ponownie do postaci
płynnej w kondensatorze. Rozpuszczone w niej składniki, jak np. sole, pozostają w kotle parowym,
z którego odparowana woda ulatnia się. Nie można przy tym całkowicie uniknąć przejścia substancji lotnych
i niewielkich ilości składników nielotnych do pary wodnej.
Dzisiaj terminy takie jak aqua dest, aqua bidest itd. odnoszą się często nie do procesu produkcji, lecz oznaczają
jedynie właściwości typowe dla jedno- lub kilkustopniowej destylacji, ponieważ woda oczyszczona jest dziś
produkowana najczęściej z zastosowaniem nowoczesnych technik uzdatniania, a nie klasycznej destylacji.
Ponadto w dzisiejszym języku pojawiają się raczej terminy takie jak woda demineralizowana lub odsolona.
Istnieją w tym zakresie uregulowania ustawowe, jak np. norma DIN ISO 3696 (woda do celów analitycznych)
czy też wytyczne VDI 2083 (wytwarzanie półprzewodników i elektrotechnika). Branża farmaceutyczna definiuje
pojęcia aqua purificata oraz aqua injectibilia, podając stosowne wytyczne GMP.
Ważną właściwością wody demineralizowanej jest jej przewodnictwo wzg. jej specyficzny opór. Do oznaczenia
jakości wody o najwyższym stopniu czystości stosuje się ponadto takie inne parametry, jak składniki
nieorganiczne i organiczne, zawartość cząstek oraz liczba obecnych w niej mikroorganizmów.
W zależności od przeznaczenia wody istnieje wiele definicji i stopni czystości wody uzdatnionej. Zakres stopni
czystości od wody laboratoryjnej po wodę ultraczystą, o najwyższym stopniu czystości wydaje się przy tym
wystarczający. Z perspektywy różnych przeznaczeń pomocny może okazać się ogólny podział na wodę
laboratoryjną (1-20 µS/cm), wodę czystą (1,0-0,1 µS/cm) oraz wodę o najwyższym stopniu czystości (0,10,0555 µS/cm), nawet jeżeli niekoniecznie pokrywa się on z innymi podziałami. Woda destylowana wykazuje
przewodnictwo mniej więcej na poziomie od 0,5 do 5 µS/cm. Wartość przewodnictwa analitycznie czystej wody
zgodnie z DIN ISO 3696 nie może przekraczać w przypadku wody o najniższej jakości 0,5 µS/cm.
Wysoce skuteczne odsalanie
Częstsze zastosowanie wody demineralizowanej i wysoki stopień czystości zawdzięczamy również szerokiej
ofercie bardzo wydajnych instalacji do uzdatniania wody. Pracujące bez przerwy urządzenia wykorzystują
zazwyczaj w fazie pierwszej osmozę odwróconą. Na syntetycznej membranie wytwarzane jest przy tym
ciśnienie wyższe niż ciśnienie osmotyczne roztworu wodnego. Po drugiej stronie membrany znajduje się wolna
od soli, wodna faza druga, pozbawiona w dużym stopniu minerałów i praktycznie całkowicie wolna od obciążeń
organicznych. Dużą zaletę tej metody stanowi fakt, że membrany zatrzymują nie tylko sole, ale również wiele
innych zanieczyszczeń (mikroorganizmy, cząstki organiczne itd.). Pozostałość soli na poziomie od dwóch do
pięciu procent sprawia, że konieczne są kolejne etapy uzdatniania. Odgazowanie membranowe pozwala pozbyć
się m.in. kwasu węglowego. Przewodnictwo szczątkowe można zredukować za pomocą wymieniacza jonowego
z mieszanym złożem. W praktyce coraz częściej stosuje się elektrodejonizację jako drugi etap uzdatniania,
łączącą w sobie dwie sprawdzone techniki oczyszczania wody: elektrodializę oraz odsalanie (dejonizację)
poprzez wymianę jonów. Cel tej techniki to usunięcie rozpuszczonych w wodzie składników możliwe w całości
w procesie ciągłym przy niewielkim nakładzie kosztów. Maksymalna czystość wody, jaką można osiągnąć
w takim procesie odpowiada przewodnictwu elektrolitycznemu na poziomie poniżej 0,06 µS/cm. Regularna
eksploatacja takiej instalacji z jedynie krótkotrwałymi przestojami pozwala również na zahamowanie wzrostu
bakterii, glonów i grzybów.
Materiały dostosowane do danego medium
Wraz ze wzrostem czystości zwiększa się agresywność wody, ponieważ próbuje ona pobrać do roztworu
brakujące jony metali.
Im mniej czyste są zastosowane metale, tym intensywniej są one atakowane przez wodę, w związku z czym
przewody rurowe i standardowa armatura wodna z mosiądzu nie nadają się do zastosowania z wodą
demineralizowaną. Materiały, których woda demineralizowana nie atakuje, to różne tworzywa sztuczne i stal
szlachetna. Do kontaktu z wodą demineralizowaną nadają się głównie takie tworzywa jak PP, PVC i PVDF. Stal
szlachetna, np. w gatunku 1.4571 wzgl. AISI 316 jest również doskonała do zastosowania w tym celu.
Aby sprostać szczególnym wyzwaniom, jakie stawia kontakt z wodą demineralizowaną, do odcięcia i dozowania
wody demineralizowanej stosuje się armaturę z bardzo różnych materiałów i ich kombinacji. Stosowane są przy
tym m.in.:
•
Armatury niklowane chemicznie wewnątrz
Podczas niklowania chemicznego konwencjonalna armatura mosiężna jest zanurzana w wodnym roztworze
roboczym o określonej zawartości jonów niklu. Reakcja jest inicjowana i sterowana przez katalizatory. W jej
wyniku na powierzchni wewnętrznej armatury tworzy się cienka warstwa stopu niklu i fosforu, która sprawia, że
element staje się odporniejszy na zużycie i korozję. W technice tej wszystkie obszary elementu pokrywa
warstwa o takiej samej grubości i nie dochodzi do nadmiernego osadzenia się na krawędziach.
Ponieważ nikiel należy jedynie do metali półszlachetnych, woda o najwyższym stopniu czystości zniszczy
w końcu powierzchnie niklowe, doprowadzając do ich korozji. Powierzchnia taka ulega rozkładowi. Nie można
dokładnie określić, jak długo wytrzyma armatura niklowana. Jej żywotność będzie najprawdopodobniej tym
krótsza, im czystsza jest płynąca przez nią uzdatniona woda. Z praktyki laboratoryjnej znane są przypadki, kiedy
dochodziło do awarii armatury już po kilku miesiącach. Niszczenie materiału przez korozję prowadzi przy tym
do zanieczyszczenia wody wypłukanymi jonami metali. Idzie to w parze ze wzrostem przewodnictwa medium
i obciążeniem ścieków cząsteczkami niklu. W standardowych armaturach wodnych stosuje się ponadto głowice
z komorą smarną, które zanieczyszczają medium dodatkowo zawartymi w smarze węglowodorami, w związku z
czym jakość płynącej przez niej wody nie odpowiada jej jakości wyjściowej.
•
Armatury mosiężne z wbudowaną rurą z tworzywa sztucznego
Bardziej wymagającą konstrukcję stanowią armatury mosiężne z wbudowaną rurą z PP lub PVDF, która
sprawia, że woda demineralizowana nie ma kontaktu z metalem. Jeżeli armatury takie są wyposażone również
w głowicę z tworzywa, gwarantują optymalną odporność i nadają się doskonale do zastosowania z wodą
demineralizowaną. Do kontaktu z wodą o najwyższym stopniu czystości oferowane są wersje ze stałą cyrkulacją.
•
Armatury z tworzyw sztucznych
W sprzedaży można znaleźć również armatury do wody uzdatnionej, które są w całości wykonane z PVC.
Ze względu na podatność tego materiału na wzrost łamliwości armatury takie nie gwarantują bezawaryjności
w perspektywie długoterminowej. Jeżeli są one dodatkowo wyposażone w zawór kulowy, wykazują podczas
dozowania wadliwość wynikającą z konstrukcji.
Lepiej w praktyce sprawdzają się i są odpowiedniejsze dla tego typu medium specjalne armatury z PP. Grubości
ścian i gwinty dostosowano w taki sposób, aby konstrukcja wykazywała odpowiednią trwałość również podczas
ciągłej eksploatacji w laboratorium. Wymagane zgodnie z normą DIN EN 2918 część 1 obciążenie wynoszące
120 newtonów jest zachowane we wszystkich obszarach armatury. Wyposażenie w głowicę membranową
pozwala osiągnąć wysoką dokładność dozowania. Odpowiednie dla medium połączenie materiałów pozwala
wykluczyć wynikające z korozji ścieranie materiału. Taka konstrukcja pozwala również na rezygnację ze
stosowania smarów, które mogłyby zanieczyścić medium. Armatury takie wytrzymują ciśnienie do 10 barów.
Górna granica temperatury medium wynosi około 60oC. W takiej temperaturze górna granica ciśnienia spada do
8 barów. W praktyce laboratoryjnej armatury takie są stosowane bezproblemowo i bezawaryjnie od lat.
Z ekonomicznego punktu widzenia są one bardzo opłacalne i nawet przy minimum działań konserwacyjnych nie
są znane ograniczenia ich żywotności.
•
Armatury ze stali szlachetnej
W przypadku stali nierdzewnej chodzi o tak szlachetny materiał, że nawet najwyższej jakości woda
o najwyższym stopniu czystości nie jest w stanie wypłukać z niego jonów metali w istotnej ilości. W praktyce
laboratoryjnej sprawdza się w szczególności armatura ze stali nierdzewnej w gatunki 1.4571 wzgl. AISI 316.
Ze względu na wyższe koszty materiału i produkcji zastosowanie armatury ze stali nierdzewnej zaczyna się tam,
gdzie leżą granice wykorzystania innych armatur. Stal szlachetna wytrzymuje bardzo wysokie temperatury pary
o najwyższym stopniu czystości i nadaje się tym samym w szczególności do stosowania w przypadku
temperatury medium przekraczającej 60oC. Może to mieć miejsce przykładowo w przypadku gorącej wody
roboczej lub pary. Stal nierdzewna sprawdza się doskonale w przypadku armatur mieszanych. Inne obszary
zastosowania stali to oczyszczanie przewodów z zastosowaniem sterylizacji termicznej lub w przypadku wody
wzbogaconej w ozon. Nawet w wysokich temperaturach i w kontakcie z parą armatury ze stali szlachetnej
wytrzymują ciśnienie do 10 barów.
Podsumowanie
W wyniku pojawienia się nowych zadań wzrosły wymagania w zakresie jakości stosowanej w laboratoriach
wody demineralizowanej. W związku z tym istnieje konieczność takiego doboru armatury laboratoryjnej, która
będzie w stanie sprostać wyższym wymaganiom i przyszłym zadaniom. Nie można dopuścić do tego, aby
wynikające z korozji zużycie materiału powodowało obniżenie trwałości armatury i jakości medium. Należy
przy tym stosować wyłącznie takie głowice, które wykluczają zanieczyszczenie medium smarami. Armatury
wodne z niklowaniem chemicznym mogą bardzo szybko ulec awarii w wyniku korozji i w wielu punktach nie są
zgodne z najnowszym stanem techniki. Zasadniczo nie nadają się one do stosowania z wodą demineralizowaną.
Do zastosowań standardowych w zakresie temperaturowym do 60oC (medium) sprawdziły się w praktyce
laboratoryjnej odpowiednio przygotowane armatury z PP z głowicami membranowymi − jako niedrogie
i ekonomiczne rozwiązanie. Wyższe nakłady na produkcję armatur pokrytych wewnątrz specjalną warstwą
tworzywa sztucznego są zasadne głównie ze względu na trudne warunki ramowe oraz wyjątkowo wysokie
wymagania w zakresie czystości wody.
Armatury najwyższej klasy to armatury ze stali nierdzewnej. Pozwalają one na pracę z wyższymi temperaturami
medium oraz z parą. Stanowią instalacje pierwszego wyboru w przypadku wody mieszanej oraz tam, gdzie
stosuje się sterylizację termiczną. Wzbogacenie wody ozonem nie ma na nie żadnego wpływu.
KONTAKT
Broen Armaturen GmbH
Gernsheim
tel.: 06258/9319-0
[email protected]
www.broen.de