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La purificación de sustancias químicas es un proceso de gran importancia para la mayoría de sus aplicaciones tecnológicas, así como para la investigación científica. Existen múltiples técnicas de separación y purificación que dependen del tipo de sustancias mezcladas y del grado de pureza que se desee obtener. En el caso del agua, dos métodos de purificación comunes son la destilación y la desionización. Estas dos formas de purificar el agua dan origen al agua destilada y al agua desionizada, respectivamente.
En las siguientes secciones cubriremos las diferencias entre estas dos “presentaciones” de la sustancia más abundante en el planeta Tierra, cómo se obtienen y qué aplicaciones requieren el uso de la una o la otra.
La medición de la pureza del agua
Antes de discutir los procesos de purificación del agua debemos aclarar un punto importante relacionado con la medición de dicha pureza. El agua sufre una reacción denominada autoprotólisis, en la cual una molécula de agua arranca un protón a otra, actuando la primera como una base y la segunda como un ácido.
La reacción en cuestión es:
Esta reacción es reversible y tiene asociada una constante de equilibrio de 10-14, lo que implica que, en ausencia de otras sustancias químicas disueltas, habrá la misma concentración de iones hidronio e hidróxido de 10-7 M.
En vista de que estos son los únicos iones presentes en el agua pura, y de que su concentración es tan baja, el agua pura es un aislante eléctrico y posee una resistividad eléctrica muy alta. La presencia de cualquier impureza que pueda disociarse o afectar el equilibrio anterior (como la presencia de un ácido o de una base, por ejemplo) inevitablemente producirá un aumento en la concentración de iones en disolución, lo cual aumentará la conductividad del agua y, por lo tanto, disminuirá su resistividad.
En consecuencia, podemos utilizar la resistividad del agua (o su conductividad, aunque la resistividad es más conveniente) como una medida directa de su pureza. Dependiendo del método de purificación empleado, la resistividad del agua se encuentra casi siempre en el orden de las unidades o decenas de MΩ.cm.
¿Qué es el agua destilada?
El agua destilada es agua que ha sido purificada por medio del proceso de destilación. Se trata de agua que posee un buen grado de pureza, libre de la mayoría de virus y bacterias, así como de la mayor parte de los solutos iónicos tales como sales y otros minerales que pueden estar disueltos por distintas razones en el agua corriente.
¿Cómo funciona la destilación?
La destilación es uno de los procedimientos más comunes de purificación de sustancias líquidas. Consiste en la separación física de dos o más sustancias en función de la diferencia entre sus presiones de vapor y puntos de ebullición.
Este proceso consiste calentar un líquido (en nuestro caso, el agua impura) hasta su punto de ebullición en un recipiente cerrado. Luego, el vapor se conduce por un sistema de ductos o tuberías hasta un sistema que lo enfría para condensarlo nuevamente (el condensador), tras lo cual el agua líquida recién condensada se almacena en otro contenedor separado de la muestra de agua impura.
La destilación es un proceso de purificación poco eficiente energéticamente. Se requiere de mucha energía para evaporar grandes cantidades de agua y, a pesar de que parte de esta energía se puede recuperar durante la condensación, mucha se termina perdiendo.
¿Qué tan pura es el agua destilada?
A pesar de que la destilación es un proceso muy efectivo para eliminar la mayoría de las impurezas, especialmente aquellas que no sean volátiles como las sales y muchos solutos moleculares, resulta inadecuada para eliminar sustancias volátiles tales como alcoholes y otros compuestos orgánicos como los trihalometanos (cloroformo, yodoformo, y los demás). Estas sustancias volátiles se evaporan y condensan junto con el agua, persistiendo en la misma luego de la destilación.
Además de esto, el agua destilada todavía puede contener ciertas cantidades de iones distintos a los iones hidronio e hidróxido. La principal fuente de iones en el agua destilada proviene de la disolución de dióxido de carbono (CO2) proveniente de la atmósfera, el cual reacciona con el agua convirtiéndose en ácido carbónico, que a su vez se disocia según la siguiente ecuación:
Toda muestra de agua expuesta a la atmósfera eventualmente alcanzará el equilibrio con el CO2 y contendrá una concentración de cerca de 10-6 molar de iones bicarbonato e hidronio, así como una menor cantidad de iones hidróxido que en el caso del agua pura.
Por otro lado, el contacto con el vapor de agua y con agua líquida caliente puede fomentar la liberación de pequeñas cantidades de contaminantes de los recipientes en los que se almacena y de los ductos por los que se transporta el agua destilada. En consecuencia, puede haber distintos iones y otras sustancias químicas aún presentes en el agua destilada en forma de impurezas.
En consecuencia, el agua destilada generalmente posee una resistividad de alrededor de 1 MΩ.cm. Esto implica que tiene una concentración de iones alrededor de 10 veces mayor que la del agua completamente pura. Si bien esto resulta insignificante para la mayoría de las aplicaciones, hay algunas que no toleran ni siquiera estos niveles de impurezas.
¿Qué es el agua desionizada?
Como su nombre lo sugiere, el agua desionizada es agua que se ha purificado por algún proceso de desionización, que no es más que la remoción selectiva de cationes y aniones distintos a los presentes en el agua pura. Existen distintos grados de desionización que se pueden alcanzar por diversos métodos y que permiten obtener agua pura o agua ultra pura, distinguiéndose la una de la otra en base al procedimiento de purificación empleado y a la resistividad del producto final.
Cabe destacar que la desionización del agua es un proceso que se lleva a cabo para purificar en mayor grado al agua destilada. Es decir que, por definición, el agua desionizada siempre es más pura que el agua destilada.
¿Cómo funciona la desionización?
Existen dos métodos principales de remoción de iones de una disolución acuosas: el uso de columnas de intercambio iónico y la ósmosis inversa. Cada una de estas técnicas tiene sus pros y sus contras, así como variantes que permiten obtener distintos grados de pureza.
Sistemas de intercambio iónico
Una de las principales formas de desionizar el agua es haciéndola pasar por dos columnas de intercambio iónico: una de intercambio catiónico seguida de otra de intercambio aniónico. Una columna de intercambio iónico consiste en un cilindro relleno con una resina a través de la cual se hace fluir el agua destilada.
Hay dos clases principales de resinas de intercambio iónico: las que intercambian cationes (resinas de intercambio catiónico) y las que intercambian aniones (resinas de intercambio aniónico).
Las resinas de intercambio catiónico consisten en sustancias sólidas insolubles que contienen grupos funcionales ácidos adheridos a su superficie. Cuando entran en contacto con el agua, liberan protones positivos hacia ella (formando iones hidronio), quedando cargados negativamente. Luego, esta carga negativa atrae y captura en la superficie de la resina a cualquier otro ion positivo que esté presente en el agua.
El efecto neto es que la resina retira del agua todos los cationes que estén disueltos como contaminantes y los intercambia por iones hidronio, lo cuales forman parte del agua pura.
Luego de eliminar todos los cationes, la disolución resultante (que en este punto consiste en una disolución que contiene una mezcla de ácidos disociados) se hace pasar por una segunda columna de intercambio iónico, en este caso una que contiene una resina de intercambio aniónico. Esta resina posee grupos básicos en su superficie que liberan iones hidróxido y capturan todos los aniones contaminantes en la superficie.
Tras salir de la segunda columna de intercambio iónico, todos los cationes y aniones que antes estaban presentes en el agua han sido reemplazados por iones hidronio e hidróxido que forman parte del agua pura.
De esta manera se obtiene agua ultra pura y con una resistividad de 18 MΩ.cm, la mayor pureza que se puede obtener.
Sistemas de ósmosis inversa
La ósmosis inversa consiste en forzar al agua a través de una membrana semipermeable desde una disolución concentrada en solutos hacia un compartimiento que contiene agua pura. En condiciones normales, el proceso de ósmosis iría en sentido inverso, ya que el agua siempre busca seguir su propio gradiente de concentración, el cual va desde el agua pura (donde posee la concentración máxima posible) hacia la disolución concentrada en solutos donde el agua se encuentra, en realidad, más diluida.
Sin embargo, la aplicación de una presión superior a la presión osmótica de una disolución puede frenar y, ultimadamente invertir la dirección del flujo neto de moléculas de agua a través de la membrana semipermeable. Es este fenómeno en el que se basa la desionización por ósmosis inversa.
La ósmosis inversa es un proceso más eficiente energéticamente que la destilación; también ofrece el beneficio de no requerir complicados y contaminantes procesos de síntesis y recuperación de las resinas de intercambio iónico. Sin embargo, tiene la desventaja de que las membranas semipermeables son muy delicadas y pueden llegar a ser muy costosas. Además, requieren el uso de presiones que pueden llegar a ser muy elevadas y de equipos e instalaciones poco accesibles.
Por otro lado, estas membranas permiten filtrar el agua a nivel molecular, evitando el paso de todos los iones, pero también de cualquier soluto molecular grande y, obviamente, de todos los virus y bacterias, siempre y cuando la membrana mantenga la integridad física durante su operación.
Al igual que el agua desionizada por medio de columnas de intercambio iónico, la ósmosis inversa permite obtener agua ultra pura de 18 MΩ.cm, en especial si el proceso de filtrado se lleva a cabo dos o más veces.
¿Cuándo se utiliza el agua destilada y cuándo la desionizada?
Como se puede ver, el agua destilada y el agua desionizada difieren en cuanto al proceso de su obtención, en cuanto a su pureza final y en cuanto a los tipos de impurezas que aún pueden estar presentes luego de la purificación.
El agua destilada se puede utilizar en la elaboración de algunos productos para el consumo humano tales como distintos tipos de bebidas. También se utiliza como disolvente en la industria química, en aquellos casos en los que las reacciones químicas no sean sensibles a la presencia de iones en disolución.
Sin embargo, hay aplicaciones que no permiten ni la más mínima presencia de iones en el agua. Por ejemplo, durante la fabricación de semiconductores se debe tener un control muy estricto sobre la presencia de ciertos cationes metálicos ya que estos afectan fuertemente el desempeño del producto final.
En la industria farmacéutica también se utiliza el agua ultra pura como disolvente para evitar la contaminación de los fármacos con iones u otras sustancias que puedan afectar la efectividad de los medicamentos.
Otra aplicación muy común del agua desionizada es en la fabricación de baterías, tales como los acumuladores de plomo que se utilizan en la mayoría de los automóviles a combustión interna. Esto se debe a que la mayoría de los iones que pueden estar presentes en el agua destilada o en cualquier otra forma de agua menos pura reaccionan con el ácido sulfúrico del electrolito, formando sales insolubles y contribuyendo así a la sulfatación irreversible de las baterías.
Finalmente, todas las técnicas analíticas que se utilizan para estudiar la composición del agua o de distintas disoluciones requieren el uso de agua desionizada para evitar contaminar las muestras con los mismos iones que luego se analizarán.
Referencias
- Lenntech B.V. (n.d.-a). Agua desionizada/desmineralizada. Lenntech. https://www.lenntech.es/aplicaciones/proceso/desmineralizada/agua-desionizada-desmineralizada.htm
- Lenntech B.V. (n.d.-b). Conductividad del agua. Lenntech. https://www.lenntech.es/aplicaciones/ultrapura/conductividad/conductividad-agua.htm
- Wasserlab. (n.d.). Generalidades sobre Agua Purificada. Wasserlab.Com. https://www.wasserlab.com/gestor/recursos/uploads/02.3%20Generalidades%20sobre%20al%20Agua%20purificada.pdf
- Valdivia M., R. Y., Pedro V., S., Laurel G., M. (2010). AGUA PARA USO EN LABORATORIOS. Boletín Científico Técnico INIMET, (1). 3-10. Recuperado de https://www.redalyc.org/pdf/2230/223017807002.pdf
