Agua purificada

El agua purificada es agua que ha sido filtrada o procesada mecánicamente para eliminar impurezas y hacerla apta para su uso. El agua destilada era, antiguamente, la forma más común de agua purificada, pero, en los últimos años, el agua se purifica con mayor frecuencia mediante otros procesos, entre ellos la desionización capacitiva , la ósmosis inversa , el filtrado de carbón , la microfiltración , la ultrafiltración , la oxidación ultravioleta o la electrodesionización . Se han comenzado a utilizar combinaciones de varios de estos procesos para producir agua ultrapura de una pureza tan alta que sus contaminantes traza se miden en partes por billón (ppb) o partes por billón (ppt).

El agua purificada tiene muchos usos, principalmente en la producción de medicamentos, en laboratorios científicos y de ingeniería y en industrias, y se produce en una variedad de purezas. También se utiliza en la industria de bebidas comerciales como ingrediente principal de cualquier fórmula de embotellado de marca registrada, con el fin de mantener la consistencia del producto. Se puede producir en el lugar para su uso inmediato o comprarse en contenedores. El agua purificada en inglés coloquial también puede referirse al agua que ha sido tratada ("convertida en potable") para neutralizar, pero no necesariamente eliminar, los contaminantes considerados dañinos para los humanos o los animales.

El agua purificada se produce generalmente mediante la purificación del agua potable o del agua subterránea . Las impurezas que pueden ser necesarias eliminar son:

• iones inorgánicos (normalmente controlados como conductividad o resistividad eléctrica o pruebas específicas)
• Compuestos orgánicos (normalmente controlados como COT o mediante pruebas específicas)
• bacterias (controladas por recuentos viables totales o epifluorescencia )
• Endotoxinas y nucleasas (controladas mediante LAL o pruebas enzimáticas específicas)
• Partículas (normalmente controladas mediante filtración)
• Gases (normalmente se gestionan mediante desgasificación cuando es necesario)

El agua destilada se produce mediante un proceso de destilación . ^[1] La destilación implica hervir el agua y luego condensar el vapor en un recipiente limpio, dejando atrás los contaminantes sólidos. La destilación produce agua muy pura. ^[2] En el aparato de destilación queda una incrustación mineral blanca o amarillenta que requiere una limpieza regular. El agua destilada, como toda agua purificada, debe almacenarse en un recipiente esterilizado para garantizar la ausencia de bacterias. Para muchos procedimientos, existen alternativas más económicas, como el agua desionizada, que se utilizan en lugar del agua destilada.

El agua bidestilada (abreviada como "ddH2O _" , "agua bidestilada" o "DDW") se prepara hirviendo lentamente el vapor de agua condensada no contaminada de una ebullición lenta anterior. Históricamente, era el estándar de facto para el agua de laboratorio altamente purificada para bioquímica y se utilizaba en análisis de trazas de laboratorio hasta que se generalizaron los métodos de purificación de agua combinados. ^{[ cita requerida ]}

El agua desionizada ( agua DI , DIW o agua desionizada ), a menudo sinónimo de agua desmineralizada / agua DM , ^[4] es agua a la que se le han eliminado casi todos sus iones minerales, como cationes como sodio , calcio , hierro y cobre , y aniones como cloruro y sulfato . La desionización es un proceso químico que utiliza resinas de intercambio iónico especialmente fabricadas , que intercambian iones de hidrógeno e hidróxido por minerales disueltos y luego se recombinan para formar agua. Debido a que la mayoría de las impurezas del agua no particulada son sales disueltas, la desionización produce agua altamente pura que generalmente es similar al agua destilada, con la ventaja de que el proceso es más rápido y no acumula incrustaciones.

Sin embargo, la desionización no elimina de forma significativa las moléculas orgánicas no cargadas, los virus o las bacterias, excepto si quedan atrapados accidentalmente en la resina. Las resinas aniónicas de base fuerte especialmente fabricadas pueden eliminar las bacterias gramnegativas . La desionización se puede realizar de forma continua y económica mediante electrodesionización .

Existen tres tipos de desionización: co-corriente, contracorriente y lecho mixto.

La desionización en corriente paralela se refiere al proceso original de flujo descendente en el que tanto el agua de entrada como los productos químicos de regeneración ingresan por la parte superior de una columna de intercambio iónico y salen por la parte inferior. Los costos operativos en corriente paralela son comparativamente más altos que los de la desionización en contracorriente debido al uso adicional de regenerantes. Debido a que los productos químicos regenerantes se diluyen cuando entran en contacto con las resinas del fondo o de acabado en una columna de intercambio iónico, la calidad del producto es inferior a la de una columna de contraflujo de tamaño similar.

El proceso todavía se utiliza y se puede maximizar con el ajuste fino del flujo de regenerantes dentro de la columna de intercambio iónico.

La desionización a contracorriente se presenta en dos formas, cada una de las cuales requiere componentes internos diseñados:

1. Columnas de flujo ascendente donde el agua de entrada ingresa desde la parte inferior y los regenerantes ingresan desde la parte superior de la columna de intercambio iónico.
2. Regeneración de flujo ascendente donde el agua ingresa desde arriba y los regenerantes ingresan desde abajo.

En ambos casos, los cabezales de distribución separados (agua de entrada, regenerante de entrada, agua de salida y regenerante de salida) deben ajustarse a: la calidad y el flujo del agua de entrada, el tiempo de operación entre regeneraciones y el análisis de agua de producto deseado.

La desionización a contracorriente es el método de intercambio iónico más atractivo. Los productos químicos (regenerantes) fluyen en dirección opuesta al flujo de servicio. Se requiere menos tiempo para la regeneración en comparación con las columnas de corriente paralela. La calidad del producto terminado puede ser tan baja como 0,5 partes por millón. La principal ventaja de la desionización a contracorriente es el bajo costo operativo, debido al bajo uso de regenerantes durante el proceso de regeneración.

La desionización en lecho mixto es una mezcla 40/60 de resinas aniónicas y catiónicas combinadas en una única columna de intercambio iónico. Con un pretratamiento adecuado, el agua producto purificada de un solo paso a través de una columna de intercambio iónico de lecho mixto es la más pura que se puede obtener. Por lo general, los desmineralizadores de lecho mixto se utilizan para el pulido final del agua para limpiar los últimos iones dentro del agua antes de su uso. Las unidades de desionización de lecho mixto pequeñas no tienen capacidad de regeneración. Las unidades de desionización de lecho mixto comerciales tienen sistemas internos elaborados de distribución de agua y regenerante para la regeneración. Un sistema de control opera bombas y válvulas para los regenerantes de resinas catiónicas y aniónicas gastadas dentro de la columna de intercambio iónico. Cada uno se regenera por separado y luego se vuelve a mezclar durante el proceso de regeneración. Debido a la alta calidad del agua producto lograda y debido al costo y la dificultad de la regeneración, los desmineralizadores de lecho mixto se utilizan solo cuando se requiere agua de la más alta pureza.

La ablandación consiste en evitar la posible precipitación de minerales poco solubles del agua natural debido a cambios que se producen en las condiciones físico-químicas (como pCO ₂ , pH y E _h ). Se aplica cuando los iones poco solubles presentes en el agua pueden precipitar como sales insolubles (por ejemplo, CaCO
₃, CaSO
₄...), o interactuar con un proceso químico. El agua se "ablanda" mediante el intercambio de cationes divalentes poco solubles (principalmente Ca²⁺
, Mg²⁺
y Fe²⁺
) con el Na soluble⁺
El agua descalcificada tiene, por tanto, una conductividad eléctrica mayor que el agua desionizada. El agua descalcificada no puede considerarse como agua verdaderamente desmineralizada, pero ya no contiene cationes responsables de la _dureza del agua y de la formación de cal , un depósito calcáreo duro compuesto esencialmente de CaCO3 , que se acumula en el interior de los hervidores , las calderas de agua caliente y las tuberías .

En sentido estricto, el término desmineralización debería implicar la eliminación de todas las especies minerales disueltas en el agua. Por lo tanto, no solo se elimina la sal disuelta obtenida mediante una simple desionización, sino también las especies disueltas neutras, como los hidróxidos de hierro disueltos ( Fe(OH)
₃) o sílice disuelta ( Si(OH)
₄), dos solutos que suelen estar presentes en el agua. De esta forma, el agua desmineralizada tiene la misma conductividad eléctrica que el agua desionizada, pero es más pura porque no contiene sustancias no ionizadas, es decir, solutos neutros. Sin embargo, el agua desmineralizada se suele utilizar indistintamente con el agua desionizada y también se puede confundir con el agua ablandada, dependiendo de la definición exacta que se utilice: eliminar solo los cationes susceptibles de precipitar como minerales insolubles (de ahí, "desmineralización"), o eliminar todas las "especies minerales" presentes en el agua, y por tanto no solo los iones disueltos sino también las especies de solutos neutros. Por tanto, el término agua desmineralizada es vago y a menudo se debería preferir el agua desionizada o el agua ablandada en su lugar para mayor claridad.

También se utilizan otros procesos para purificar el agua, como la ósmosis inversa , la filtración con carbón , la filtración microporosa, la ultrafiltración , la oxidación ultravioleta o la electrodiálisis . Estos se utilizan en lugar de los procesos enumerados anteriormente o además de ellos. Los procesos que hacen que el agua sea potable, pero no necesariamente más cercana a ser H2O puro _/ hidróxido + iones hidronio, incluyen el uso de hipoclorito de sodio diluido , ozono , oxidantes mixtos ( _H2O + NaCl electrocatalizado ) y yodo . Consulte la discusión sobre los tratamientos de agua potable en "Efectos sobre la salud" a continuación.

El agua purificada es adecuada para muchas aplicaciones, incluidas las autoclaves, las piezas manuales, las pruebas de laboratorio, el corte por láser y el uso en automóviles. La purificación elimina los contaminantes que pueden interferir con los procesos o dejar residuos en la evaporación. Aunque el agua generalmente se considera un buen conductor eléctrico (por ejemplo, los sistemas eléctricos domésticos se consideran particularmente peligrosos para las personas si pueden estar en contacto con superficies húmedas), el agua pura es un mal conductor. La conductividad del agua se mide en Siemens por metro (S/m). El agua de mar suele tener una conductividad de 5 S/m ^[5] , el agua potable suele estar en el rango de 5-50 mS/m, mientras que el agua altamente purificada puede tener una conductividad de tan solo 5,5 μS/m (0,055 μS/cm), una relación de aproximadamente 1 000 000:1 000:1.

El agua purificada se utiliza en la industria farmacéutica. El agua de este tipo se utiliza ampliamente como materia prima, ingrediente y disolvente en el procesamiento, la formulación y la fabricación de productos farmacéuticos, principios activos farmacéuticos (API) e intermedios, artículos farmacopeicos y reactivos analíticos. El contenido microbiológico del agua es importante y se debe controlar y analizar regularmente para demostrar que se mantiene dentro del control microbiológico. ^[6]

El agua purificada también se utiliza en la industria de bebidas comerciales como ingrediente principal de cualquier fórmula de embotellado de marca registrada, con el fin de mantener una consistencia crítica de sabor, claridad y color. Esto garantiza al consumidor una bebida segura y satisfactoria. En el proceso previo al llenado y sellado, las botellas individuales siempre se enjuagan con agua desionizada para eliminar cualquier partícula que pueda provocar un cambio en el sabor.

En las baterías de plomo-ácido se utiliza agua desionizada y destilada para evitar la erosión de las celdas, aunque el agua desionizada es la mejor opción ya que se eliminan más impurezas del agua en el proceso de creación. ^[7]

Varias organizaciones profesionales, entre ellas la Sociedad Química Estadounidense (ACS), ASTM International , el Comité Nacional de Estándares de Laboratorio Clínico (NCCLS) de los Estados Unidos, que ahora es CLSI , y la Farmacopea de los Estados Unidos (USP) , han establecido normas técnicas sobre la calidad del agua . La ASTM, el NCCLS y la ISO 3696 o la Organización Internacional de Normalización clasifican el agua purificada en Grado 1-3 o Tipos I-IV según el nivel de pureza. Estas organizaciones tienen parámetros similares, aunque no idénticos, para el agua altamente purificada.

Cabe señalar que la Farmacopea Europea utiliza el término Agua Altamente Purificada (AAP) como definición del agua que cumple con la calidad de Agua para Inyecciones, sin haber sido sometida, no obstante, a destilación. En el contexto del laboratorio, el término agua altamente purificada se utiliza para denominar diversas calidades de agua que han sido "altamente" purificadas.

Independientemente de la norma de calidad del agua de la organización que se utilice, incluso el agua de tipo I puede requerir una purificación adicional según la aplicación específica del laboratorio. Por ejemplo, el agua que se utiliza para experimentos de biología molecular debe estar libre de DNasa o ARNasa , lo que requiere un tratamiento adicional especial o una prueba funcional. El agua para experimentos de microbiología debe estar completamente esterilizada, lo que generalmente se logra mediante autoclave. El agua utilizada para analizar metales traza puede requerir la eliminación de metales traza a un estándar más allá del de la norma del agua de tipo I.

* Requiere el uso de un filtro de membrana de 0,2 μm

**Preparado por destilación.

***Requiere el uso de un filtro de membrana de 0,45 μm

Erich L. Gibbs, miembro del Comité ASTM D19 (Agua), criticó la norma ASTM D1193 diciendo que "el agua tipo I podría ser casi cualquier cosa: agua que cumple algunos o todos los límites, parte del tiempo o todo el tiempo, en el mismo punto o en diferentes puntos del proceso de producción". ^[9]

El agua ultrapura completamente desgasificada tiene una conductividad de 1,2 × 10 ⁻⁴ S/m, mientras que en equilibrio con la atmósfera es de 7,5 × 10 ⁻⁵ S/m debido al CO ₂ disuelto en ella. ^[10] Los grados más altos de agua ultrapura no deben almacenarse en recipientes de vidrio o plástico porque estos materiales de contenedores filtran (liberan) contaminantes en concentraciones muy bajas. Los recipientes de almacenamiento hechos de sílice se utilizan para aplicaciones menos exigentes y los recipientes de estaño ultrapuro se utilizan para las aplicaciones de mayor pureza. Vale la pena señalar que, aunque la conductividad eléctrica solo indica la presencia de iones, la mayoría de los contaminantes comunes que se encuentran naturalmente en el agua se ionizan en algún grado. Esta ionización es una buena medida de la eficacia de un sistema de filtración, y los sistemas más caros incorporan alarmas basadas en la conductividad para indicar cuándo se deben renovar o reemplazar los filtros. A modo de comparación, ^[11] el agua de mar tiene una conductividad de quizás 5 S/m (se citan 53 mS/cm), mientras que el agua corriente normal sin purificar puede tener una conductividad de 5 × 10 ⁻³ S/m (50 μS/cm) (con una precisión de un orden de magnitud), que sigue siendo aproximadamente 2 o 3 órdenes de magnitud mayor que la salida de un mecanismo de desmineralización o destilación que funcione bien, por lo que se detectan fácilmente niveles bajos de contaminación o disminución del rendimiento. ^{[ cita requerida ]}

Algunos procesos industriales, en particular en las industrias de semiconductores y farmacéutica, necesitan grandes cantidades de agua muy pura. En estas situaciones, el agua de alimentación se procesa primero para convertirla en agua purificada y luego se procesa para producir agua ultrapura .

Otra clase de agua ultrapura utilizada en las industrias farmacéuticas se denomina agua para inyección (WFI), que normalmente se genera mediante un proceso de destilación múltiple o vaporización comprimida ^{[ verifique la ortografía ]} de agua DI o agua RO-DI. Tiene un requerimiento de bacterias más estricto, de 10 UFC por 100 mL, en lugar de las 100 UFC por mL de la USP.

El agua destilada o desionizada se utiliza habitualmente para recargar las baterías de plomo-ácido que se utilizan en automóviles y camiones y en otras aplicaciones. La presencia de iones extraños que se encuentran habitualmente en el agua del grifo acortará drásticamente la vida útil de una batería de plomo-ácido.

El agua destilada o desionizada es preferible al agua del grifo para su uso en sistemas de refrigeración de automóviles.

El uso de agua desionizada o destilada en aparatos que evaporan agua, como las planchas de vapor y los humidificadores, puede reducir la acumulación de cal mineral , que acorta la vida útil del aparato. Algunos fabricantes de electrodomésticos afirman que ya no es necesario el agua desionizada. ^{[12] [13]}

El agua purificada se utiliza en acuarios de agua dulce y salada . Al no contener impurezas como el cobre y el cloro, ayuda a mantener a los peces libres de enfermedades y evita la acumulación de algas en las plantas del acuario debido a su falta de fosfato y silicato. El agua desionizada debe remineralizarse antes de su uso en acuarios, ya que carece de muchos macro y micronutrientes necesarios para las plantas y los peces.

El agua (a veces mezclada con metanol ) se ha utilizado para ampliar el rendimiento de los motores de las aeronaves. En los motores de pistón, actúa para retrasar la aparición de detonaciones del motor . En los motores de turbina, permite un mayor flujo de combustible para un límite de temperatura de turbina determinado y aumenta el flujo de masa. Como ejemplo, se utilizó en los primeros modelos Boeing 707. ^[14] Desde entonces, los materiales y la ingeniería avanzados han hecho que estos sistemas sean obsoletos para los nuevos diseños; sin embargo, el enfriamiento por aspersión de la carga de aire entrante todavía se utiliza en una medida limitada con motores turboalimentados todoterreno (automóviles de carreras de carretera).

El agua desionizada se utiliza muy a menudo como ingrediente en muchos productos cosméticos y farmacéuticos. "Aqua" es el nombre estándar del agua en la norma de la Nomenclatura Internacional de Ingredientes Cosméticos , que es obligatoria en las etiquetas de los productos en algunos países.

Debido a su alta constante dieléctrica relativa (~80), el agua desionizada también se utiliza (durante períodos cortos, cuando las pérdidas resistivas son aceptables) como dieléctrico de alto voltaje en muchas aplicaciones de energía pulsada , como la máquina Z de Sandia National Laboratories .

El agua destilada se puede utilizar en sistemas de refrigeración por agua para PC y sistemas de marcado láser. La ausencia de impurezas en el agua significa que el sistema se mantiene limpio y evita la acumulación de bacterias y algas. Además, la baja conductancia reduce el riesgo de daños eléctricos en caso de fuga. Sin embargo, se sabe que el agua desionizada provoca grietas en los accesorios de latón y cobre. ^{[ cita requerida ]}

Cuando se utiliza como enjuague después de lavar automóviles, ventanas y aplicaciones similares, el agua purificada se seca sin dejar manchas causadas por solutos disueltos.

El agua desionizada se utiliza en sistemas de extinción de incendios por niebla de agua que se emplean en entornos sensibles, como donde se utilizan equipos electrónicos sensibles y eléctricos de alto voltaje. Las boquillas de "rociadores" utilizan chorros de pulverización mucho más finos que otros sistemas y funcionan a una presión de hasta 35 MPa (350 bar; 5000 psi). La niebla extremadamente fina que se produce elimina el calor del fuego rápidamente y las gotas finas de agua no son conductoras (cuando están desionizadas) y tienen menos probabilidades de dañar el equipo sensible. Sin embargo, el agua desionizada es inherentemente ácida y los contaminantes (como el cobre, el polvo, el acero inoxidable y el acero al carbono y muchos otros materiales comunes) suministran rápidamente iones, lo que reioniza el agua. En general, no se considera aceptable rociar agua sobre circuitos eléctricos que estén encendidos y, en general, se considera indeseable utilizar agua en contextos eléctricos. ^{[15] [16] [17]}

En los humidores se utiliza agua destilada o purificada para evitar que los puros acumulen bacterias , moho y contaminantes, así como para evitar que se formen residuos en el material del humidificador .

Los limpiadores de ventanas que utilizan sistemas de pértigas alimentadas con agua también utilizan agua purificada porque permite que las ventanas se sequen solas sin dejar manchas ni suciedad. El uso de agua purificada de pértigas alimentadas con agua también evita la necesidad de utilizar escaleras y, por lo tanto, garantiza el cumplimiento de la legislación sobre trabajos en altura en el Reino Unido.

La destilación elimina todos los minerales del agua, y los métodos de membrana de ósmosis inversa y nanofiltración eliminan la mayoría, o prácticamente todos, de los minerales. Esto da como resultado agua desmineralizada, que no se ha demostrado que sea más saludable que el agua potable . La Organización Mundial de la Salud investigó los efectos sobre la salud del agua desmineralizada en 1980 y descubrió que el agua desmineralizada aumentaba la diuresis y la eliminación de electrolitos , con una disminución de la concentración sérica de potasio. El magnesio, el calcio y otros nutrientes en el agua pueden ayudar a proteger contra la deficiencia nutricional. Las recomendaciones para el magnesio se han establecido en un mínimo de 10 mg/L con 20-30 mg/L óptimo; para el calcio, un mínimo de 20 mg/L y un óptimo de 40-80 mg/L, y una dureza total del agua (añadiendo magnesio y calcio) de 2-4  mmol/L . Para el flúor, la concentración recomendada para la salud dental es de 0,5-1,0 mg/L, con un valor guía máximo de 1,5 mg/L para evitar la fluorosis dental . ^[18]

Los suministros de agua municipales a menudo agregan o tienen trazas de impurezas en niveles que están regulados para que sean seguros para el consumo. Muchas de estas impurezas adicionales, como compuestos orgánicos volátiles , flúor y aproximadamente 75 000 compuestos químicos más ^{[19] [20] [21]} no se eliminan mediante la filtración convencional; sin embargo, la destilación y la ósmosis inversa eliminan casi todas estas impurezas.