روش های تهیه آب خالص و فوق خالص آزمایشگاهی

از گذشته تا امروز محققين در علوم مختلف همواره به اهميت آب خالص آزمايشگاهی به عنوان يكي از فاكتورهاي اساسي در انجام آزمايشات خود واقف بوده‌اند و امروزه با انجام آزمايشهاي حساس در مقادير بسيار جزئی از نمونه مورد آزمايش اهميت خلوص آب مصرفی صد چندان شده است.
از آنجايي كه آب خالص آزمايشگاهي يكي از اجزاء گران‌قيمت هر آزمايش بوده و تلاش براي نزديك شدن به درجات خلوص بالاتر هزينة تهية اين آب را به‌صورت تصاعدي بالا مي‌برد . لذا آگاهي از درجة خلوص آب مورد نياز در انجام يك آزمايش مي‌تواند راهنماي خوبي براي درنظرگرفتن هزينه مناسب باشد . در حال حاضر آب خالص داراي تعاريف و استانداردهاي مدوّنی مي‌باشد كه براساس نوع كاربرد آن درجات خلوص متعدد و تقسيم‌بندي‌هاي متنوعي را شامل مي‌شود ( در انتها به استانداردهاي موجود اشاره خواهد شد.
همانطور كه اشاره شد آب خالص آزمايشگاهي كاربردهاي متعددي دارد. مطالعات فضايي، علوم شيمي و مهندسي شيمي علي‌الخصوص آناليز شيميايي به روش‌هاي كروماتوگرافي مايع با عملكرد بالا و همچنين در آزمايشات ژنتيك و بيوتكنولوژي در علوم سلولي و مولكولي و ديگر كاربردها از قبيل آماده‌سازی كيتها و ساخت محيط‌هاي مختلف تا پيش‌پا افتاده‌ترين عمليات آزمايشگاهي مانند شستشوی ظروف و لوازم همه و همه نياز به آب خالص دارند.
لذا همانطور كه اشاره شد، جهت خريد و استفاده از يك سيستم تخليص آب بايد به خلوص موردنظر توجه كامل داشت و دقت نمود كه هرچه ميزان مواد آلي، معدني و املاح آب ورودي به آزمايشگاه بيشتر باشد تخليص آب پر هزينه‌تر خواهد بود. سه روش كلی براي تخليص آب وجود دارد:

1. تقطير
2. ديونيزه كردن
3. اسمز معكوس

1. تقطیر

سالهاي متمادي در آزمايشگاه‌ها از آب مقطر به‌عنوان آب خالص ياد مي‌شد ولي امروزه آب مقطر يكبارتقطير به‌عنوان آب خالص مورد قبول نمي‌باشد. در اين روش آب بدون املاح از تبخير آب توسط المنت‌هاي الكتريكي در يك مخزن و تبديل مجدد بخار ايجاد شده به آب (ميعان)‎ در اثر عبور از مارپيچ مبرّد دستگاه و جمع‌آوري آن در يك مخزن ديگر (مخزن جمع‌آوري‌كننده) تهيه مي‌شود.
عموماً مخازن و مبرّد دستگاه‌هاي آب مقطرگيري از جنس پيركس و يا فولاد ضد زنگ از نوع316-L  مي‌باشند كه با توجه به سهولت تميز نمودن، دستگاه‌هاي ساخته‌شده از فولاد اولويت بيشتري دارند. البته اين روش معايبي را بدنبال دارد كه در زير به آنها اشاره مي‌شود:

1. مصرف انرژي الكتريكي دستگاه‌هاي آب مقطرگيري بسيار بالاست.
2. در حين كار دستگاه مواد معدني و آلي بشدت در مخزن اصلي تغليظ مي‌شوند.
3. در جريان جوشيدن شديد مقدار كمي از مولكول‌هاي آب كه در حين قليان آب از آن جدا شده‌اند و ممكن است حاوی يون‌های سديم، پتاسيم، كلر، كربنات، سولفات و منيزيم باشند وارد آب مقطر مي‌شوند.
4. مقدار كمي از يون‌های كلر، مس و گازها نيز در بخار آب محصور و قابل انتقال به آب مقطر مي‌باشند.
5. اين دستگاه در بهترين حالت درهرساعت قادر به توليد بيش از 5 تا 10 ليتر آب بدون املاح نمي‌باشد.
6. آب + فلز + الكتريسيته سه عامل ايجاد خطر برق‌گرفتگي براي كاربر به‌شمار مي‌آيند، لذا نشت آب و عدم توجه به كفايت و ايمني دستگاه خطرات زيادي را به دنبال خواهد داشت.
7. باتوجه به اينكه آب خروجي از دستگاه دماي بالايي دارد و در اين محدودة دمايي احتمال انحلال CO₂ در آب وجود دارد ، لذا عموماً آب تهيه‌شده توسط آب‌مقطر گيري اسيدي است و اصولاً مناسب جهت كاربردهاي حساس و نيمه‌حساس نمي‌باشد.
8. در اين دستگاه، به ازاء توليد هر يك ليتر آب بدون املاح چهار ليتر آب به‌هدر مي‌رود كه امروزه با تمهيدات بازگشت آب مبرد به مخزن اصلي اين مقدار به دو ليتر كاهش يافته است.
9. از آنجاييكه هزينة نگهداري و تأمين انرژي دستگاه‌هاي آب‌مقطر گيري بسيار بالاست، لذا در مناطقي كه آب شهر املاح زيادي دارد. تهية آب مقطر مقرون به‌صرفه نيست.
10. تميز كردن دستگاه بسيار وقت‌گير و مشكل است.
11. از آنجاييكه هدايت الكتريكي آب توليدشده يكي از فاكتورهاي اصلي در درجه‌بندي آن مي‌باشد. متأسفانه كمتر مشاهده مي‌شود دستگاه آب‌مقطر گيري حتي در حالت دوبار تقطير داراي دستگاه هدايت‌سنج جهت محاسبة ميزان هدايت الكتريكي باشد.

 در پايان لازم به يادآوري است نگهداري آب‌مقطر تهيه‌شده به شرط اطمينان از كيفيت و دارا بودن مشخصات استاندارد حداكثر تا يك هفته در ظروف درب‌دار و تميز شيشه‌اي يا پلاستيكي ممكن مي‌باشد  كه اين زمان ممكن است برحسب محل وشرايط نگهداري تغيير نمايد و چنانچه از آب‌مقطر گيري جهت توليد آب بدون املاح استفاده مي‌كنيد، حتماً يك دستگاه هدايت‌سنج جهت اندازه‌گيري هدايت الكتريكي آب توليدي تهيه نموده و ظروف نگهداري آب را به‌طور مرتب از نظر ايجاد رسوب كه نشانگر عدم عملكرد صحيح دستگاه مي‌باشد بررسي كنيد.
 

2. دیونیزه کردن

در اين روش تخليص آب توسط رزين‌هاي پليمري تبادل يوني (Ion Exchange Resins) انجام مي‌پذيرد. اين تركيبات شامل رزين‌هاي كاتيوني و آنيوني مي‌باشند كه از ويژگي‌هاي آن نامحلول بودن آنهاست. اين رزين‌ها به‌صورت بسته‌بندي جدا و يا به‌صورت مخلوط قابل استفاده مي‌باشند. جهت حذف يونهاي معدني، آب وارد ستون‌هايي كه از قبل با اين رزين‌ها پر شده‌اند، گرديده و الكتروليت‌هاي محلول آب با يون‌هاي H⁺ و OH^– اين رزين‌ها تعويض مي‌گردد.
رزين‌هاي تعويض كاتيوني (Cation Exchanger): در اين نوع، مولكول رزين حاوي عوامل اسيدي ميباشد كه از بازرترين آنها مي‌توان مولكول پليمري فنل فرم آلدئيد را نام برد كه مي‌تواند حاوي راديكال‌هاي OH^– ، HSO₃، CH₂COOH  باشد.
 رزين‌هاي تعويض آنيوني (Anion Exchanger): در اين نوع مولكول رزين حاوي عوامل آميني مي‌باشد كه از بارزترين آنها مي‌توان مولكول فنيل دي آمين و اوره را نام برد كه براي مثال طي واكنش زير مي‌توانند يونهاي ^–Cl را با ^–OH تعويض نمايند. اين رزين‌ها قابل احياء بوده و عمدتاً رزين‌هاي كاتيوني با محلول اسيد كلريدريك و رزين‌هاي آنيوني با سود احياء مي شوند.
R₄NOH + Cl^–  →  R₄NCl + OH^–
 همانطور كه اشاره شد اين رزين‌ها تنها قادر به دريافت يونهاي معدني موجود در آب بوده و توانايي حذف مواد آلي و باكتري‌ها را ندارند. لذا جهت حذف مواد آلي دستگاه‌هاي توليد آب خالص مجهز به لامپ UV با طول موج 185 و 254 نانومتر مي‌باشند كه در اين طول موج‌ها فتواكسيداسيون ماوراء بنفش باعث حذف مواد آلی می گردد.
اساس كار بدين ترتيب است كه تابش در طول موج 185 نانومتر باعث ايجاد يك راديكال هيدروكسيل آزاد فوق‌العاده فعال مي‌شود و اين راديكال آزاد طي يك زنجيرة فتو شيميايي باعث تخريب مولكول‌هاي مواد آلي و تبديل آنها به مولكول آب وCO₂  مي شود. تابش در طول موج 254 نانومتر نيز باعث تخريب DNA ميكروارگانيزم‌ها مي‌گردد كه مي‌تواند عدم حضور ميكروارگانيزم‌هاي زنده در آب توليدشده را تضمين نمايد. پس از طي اين مراحل TOC آب خروجي به كمتر ازppb  3 تقليل مي‌يابد. همچنين فرآيند فتواكسيداسيون ميزان پايروژن‌ها را به كمتر از EU/ml 0.02 رسانده و نيز باعث حذف RNA′s  و  DNA′s و پروتئازها مي‌گردد.
 حذف جسم باكتري ها نيز توسط يك ممبران فيلتر با منافذ 0.1 ميكرومتر كه در محل خروج آب قرار گرفته انجام مي‌پذيرد امروزه محققين توسط اين روش خالص‌سازي توانسته‌اند گام را فراتر نهاده و به محدوده‌هاي آب فوق خالص دسترسي پيدا كنند.  مزاياي اين روش شامل موارد زير مي‌باشد:

• سيستم‌هاي ديونيزه‌كننده جهت تهية آب بدون املاح معدني نياز به منبع انرژي ندارند، ارزان و بسيار ساده مي‌باشند و مصرف برق جهت تهية آب فوق خالص در آنها در حد يك لامپ 100 وات مي‌باشد.
• مشكلات رسوب‌گذاري و تغليظ ناخالصي‌ها در اين روش وجود ندارد و رزين‌ها قابل احياء بوده و در صورت مخلوط بودن، قابل تعويض با هزينة پايين مي‌باشند.
• دماي آب خروجي از دستگاه معادل دماي آب ورودي به دستگاه مي‌باشد.
• pH خنثي از مزاياي بارز آب تهيه‌شده توسط اين روش مي‌باشد.
• ميزان توليد آب خالص در اين روش حداقل 15 برابر تقطير ميباشد و دستگاه آب خالص‌ساز با ابعاد مشابه يك دستگاه آب‌مقطر گيري دوبار تقطير بادبي 4 ليتر در ساعت مي‌تواند بين 70 تا 90 ليتر در ساعت آب فوق خالص توليد نمايد.
• سپري شدن زمان تا گرم شدن آب، بخار شدن آن و تبريد مجدد كه حداقل به زمان 20 تا 30 دقيقه نياز دارد در اين روش مرتفع گرديده و به محض ورود آب به دستگاه آب خالص يا فوق خالص دريافت مي‌گردد.
• در اين روش به‌هيچ وجه شاهد تلف شدن آب نبوده و به ازاء آب ورودي آب خالص دريافت مي‌شود.
• دستگاه‌هاي توليد آب فوق خالص عمدتاً داراي دستگاه هدايت‌سنج مي‌باشند كه مي‌توانند گزارشات مربوط به هدايت الكتريكي آب خروجي را نمايش دهند درضمن برخي از دستگاه‌ها مجهز به دستگاه سنجش TOC  نيز مي‌باشند كه مشخص‌كنندة ميزان مواد آلي آب توليدشده مي‌باشد.

 لازم به يادآوري ا‌ست مطابق استاندارد زمان نگهداري آب فوق خالص تا 2 ساعت پس از تهيه اين آب مي‌باشد و جهت آزمايشات حساس مانند استفاده در دستگاه IC, GC, AAS, HPLC و يا مطالعات سلولي و مولكولي نگهداري بيش از اين زمان توصيه نمي‌شود. آب خالص تهيه‌شده توسط اين روش نيز تا يك هفته در ظروف شيشه‌اي و يا پلاستيكي تميز كه قبلاً با آب فوق خالص شستشو شده‌اند قابل نگهداري است.

درجه‌بندي آب هاي آزمايشگاهي
 آب خالص آزمايشگاهي مطابق استانداردهاي مختلف به درجات مختلفي تقسيم مي‌شود، استانداردهاي زير نمونه‌هائي از اين تقسيم‌بندي‌ها مي‌باشد:

•  ASTM Reagent Grade Water
• A.P. Reagent Grade Water
• ASTM Electronics Grade Water
• AAMI Hemodialysis Grade Water

حدود مجاز عواملي چون ميزان هدايت الكتريكي و يا مقاومت الكتريكي كه رابطه مستقيمي با يكديگر دارند، ميزان TOC،pH  و ديگر پارامترهاي مهم براي كاربردهاي مختلف تعريف شده‌اند. توضيح اينكه در اين استاندارد موارد زير قابل توجه مي‌باشند:

•  ذرات معلق در آب: آب درجه I بايد حاوي كمتر از 500 ذره با قطر بزرگتر از 2 ميكرون باشد.
• در صورت انجام آزمايشات اختصاصي و كاربردهاي خاص ديگر پارامترها مانند ذرات، فلزات سنگين، دي‌اكسيد كربن، حدود ناچيز المانها نيز بايد بررسي شوند.
• مواد آلي و آلوده‌كننده‌ها را در اين استاندارد مي‌توان با زغال فعال كاهش داد.

 آب درجه يك در انجام آزمون با دستگاه‌هاي HPLC، GC، IC، AAS، در مطالعات فارماكولوژي،cell biology، ميكروبيولوژي، Gen technology، Medicine، In vitro fertilization، Semiconductor استفاده مي‌گردد، در آينده به ادامة اين بحث و نحوة كنترل كيفي و همچنين ديگر پارامترهاي مهم آب آزمايشگاهي پرداخته خواهد شد.