Использование воды в лабораториях. Методы и технологии очистки воды. Международные стандарты

Использование воды в лабораториях. Технологии и методы очистки воды. Международные стандарты.

У множества специалистов работающих в различных лабораториях по всему миру каждый день в своих рабочих процессах есть необходимость использовать чистую воду. Целей может быть много, от простых бытовых задач до проведения точных лабораторных анализов в сфере исследования ДНК, микробиологии, биотехнологии, генетики, генной инженерии,исследовании ДНК, жидкостной хроматографии, приготовления инъекционных препаратов и т.п. Единичные молекулы постороннихпримисей. веществ могут существенно повлиять на результат работы.

• мытье и промышка лабораторной посуды и лабораторного оборудования (автоклав, стерилизатор)
• выполнение высокоточных анализов
• постановкой тончайших экспериментов

Для обеспечения надежного выполнение стоящих перед лабораторией задач и при этом минимизировать стоимость водоочистного оборудования и затраты на его эксплуатацию, качество воды должно точно соответствовать ее назначению.

Технологии очистки воды на лабораторном оборудовании и международные стандарты качества воды

Для выбора оптимальной системы очистки воды, водоподготовки соответствующей потребностям и специфики работы отдельной лаборатории, производству необходимо ориентироваться в существующих международных стандартах качества воды и различных технологиях очистки воды на лабораторном оборудовании или промышленном оборудовании. Специализированное оборудование для очистки воды имеет множество модификаций в зависимости от производительности, исполнения и технологии очистки, дистилляции воды.

Нормативные стандарты на воду для лабораторий

Международные и Российские нормативные документы и стандарты на воду для различных аналитических лабораторий, клинических лабораторий и химических лабораторий.

Клинические лабораторий - отдельных стандартов для клинических лабораторий в России нет. Для питания клинических анализаторов используют воду Степени чистоты 2 по ГОСТ 52501-2005 и ISO 3696:1987.;

Стандарты воды для химических и аналитических лабораторий

Стандарт ISO 3696:1987 подразделяет воду на три степени чистоты (Grade 1, 2, 3) и при контроле показателей качества ориентируется на простые классические методы анализа. Стандарт ISO 3696:1987.

Сравнение характеристик воды с различной степенью чистоты 1, 2 и 3 согласно стандарту классификации

Стандарт ISO 3696:1987 для химических и аналитических лабораторий

Стандарт ASTM D1193-06 (2011) для химических и аналитических лабораторий

Стандарт ASTM D1193-06 (2011) задает более жесткие требования к чистоте воды и охватывает больше показателей, для контроля которых регламентируется использование современных аналитических методов. Вода подразделяется на четыре типа (Type I, II, III, IV), каждый из которых – если необходимо по условиям применения воды – может быть еще разделен на подтипы А, В, С, в зависимости от содержания гетеротрофных бактерий и эндотоксинов.

Стандарт ASTM D1193-06 (2011) для химических лабораторий и аналитических лабораторий, основные параметры

Стандарт ASTM D1193-06 (2011) для химических лабораторий и аналитических лабораторий, дополнительные параметры

• Вода типа III по стандарту ASTM имеет лучшие показатели по удельному сопротивлению, чем вода типа II, но худшие показатели по другим параметрам, что не совсем логично.
• Это противоречие сложилось исторически, поскольку первоначально для получения воды разных типов были прописаны разные технологические процессы.
• Российский ГОСТ 52501-2005 является переводом ISO 3696:1987. Из него исключена вода степени чистоты 3, поскольку она практически полностью соответствует дистиллированной воде по ГОСТ 6709-97. 

Российские стандарты. для химических и аналитических лабораторий

Определение характеристик чистоты дистиллированной воды и воды со степенью чистоты 2 и 1. Параметры массовой концентрацим остатка после выпаривания, оксида кремния (SiO2) и хлоридов. Удельной электропроводности и массовой концентрации веществ и примисей.

Стандарт для клинических лабораторий. Стандарт CLSI шесть типов воды

Стандарт CLSI подразделяет воду на шесть типов:

1. Вода реагентного качества для клинических лабораторий (Clinical laboratory reagent water, CLRW).
2. Специальная вода реагентного качества (Special reagent water, SRW).
3. Вода для питания оборудования (Instrument feed water, IFW).
4. Вода, поставляемая в качестве растворителя или реагента изготовителем конкретного аналитического оборудования (Water supplied by a method manufacturer for use as a diluent or reagent).
5. Вода для питания автоклавов и для мойки (Autoclave and wash water applications).
6. Бутилированная очищенная вода (Commercially bottled purified water).

Стандарт CLSI – CLRW

Вода SRW должна полностью соответствовать воде CLRW. В зависимости от применения, требования к ней ужесточают: вводят более низкий предел ТОС, контроль нуклеиновых кислот, протеаз, нуклеаз, следовых концентраций металлов, эндотоксинов, углекислого газа.

Спецификация воды IFW задается исключительно техническими требованиями к оборудованию. Допускается использование воды CLSW, если это подтвердит изготовитель оборудования. Вода, поставляемая изготовителем аналитического оборудования, также должна соответствовать техническим требованиям на это оборудование. Если им соответствует вода CLRW или SRW, то допустима замена на эти типы.

Поставляемую воду, согласно CLSI, не допускается использовать для других аналитических систем, если только лаборатория не проведет процедуру валидации.

Вода для питания автоклавов и для мойки описана в стандарте CLSI как очищенная до такого уровня, при котором неорганические, органические и механические примеси не оказывают загрязняющего воздействия. Наконец, бутилированная очищенная вода специфицируется в зависимости от предполагаемого использования.

Различные производителей оборудования для очистки воды (водоочистного лабораторного оборудования) I, II и III типы воды по CLSI – это «отголосок» отмененного в 2006 году стандарта NCCLS. Можно считать, что SRW (как минимум) и CLRW соответствуют типу I по NCCLS, вода для автоклавов и мойки – типу III, вода для питания оборудования – если имеются в виду клинические анализаторы – должна соответствовать типу II.

Коллегия американских патологов (CAP), занимающаяся аккредитацией клинических лабораторий, как отмечалось выше, не выпускает своих стандартов, а предписывает использование воды, соответствующей стандарту CLSI. ;

Обобщенный стандарт на воду лабораторного назначения

существует достаточно много стандартов и разновидностей воды лабораторного назначения, во многом повторяющих друг друга, но вместе с тем имеющих существенные различия в системах классификации и показателях качества. Это может приводить к неоднозначной трактовке типов воды и к ошибкам в выборе установок. 

Поэтому в среде производителей оборудования и конечных пользователей сложился некий обобщенный стандарт, более унифицированно отражающий градации качества очищенной воды и «перекрывающий» все действующие стандарты как для аналитических и химических, так и для клинических лабораторий.

В зависимости от степени чистоты  три типа воды

Согласно унифицированному обобщенному стандарту, очищенную воду лабораторного назначения подразделяют на три типа в зависимости от степени чистоты, основным интегральным показателем которой является удельная электропроводность воды или обратная величина – удельное сопротивление:

• Тип 1. Сверхчистая вода реагентного качества (≥ 18 МОм*см).
• Тип 2. Вода аналитического качества (> 1…10 МОм*см).
• Тип 3. Вода общелабораторного применения (< 5 мкСм/см).

Обобщены все типы воды по действующим стандартам в привязке к этому ключевому показателю. Другие важные показатели качества – содержание общего органического углерода (TOC), микроорганизмов, эндотоксинов (пирогенов) и пр. – не всегда четко и однозначно специфицируются у разных производителей лабораторного водоочистного оборудования, но, в принципе, совпадают с аналогичными показателями соответствующих типов воды по действующим стандартам.

От технологии ее очистки напрямую зависит степень чистоты воды 

Степень чистоты воды зависит исключительно от технологии ее очистки.

Расхожее представление о том, что вода подразделяется на три упомянутых типа «согласно действующим стандартам ГОСТ Р 52501-2005, ISO 3639, ASTM D1193-06, CLSI, CAP» неверно.

1. типов воды по стандарту ASTM D1193-06 (2011) насчитывается не три, а четыре с тремя подтипами, по стандарту CLSI их шесть, по ГОСТ 52501-2005 – два, а стандарта CAP не существует.
2. в разных нормативах, стандартах требования к качеству воды, особенно наиболее чистой, существенно различаются (см. табл. 2-5). Собственно, сверхчистой является только вода типа I по ASTM D1193-06 (2011), имеющая удельное сопротивление 18 МОм*см при 25 °С.

Наиболее чистые типы воды по всем остальным стандартам имеют удельное сопротивление при той же температуре всего лишь 10 МОм*см, что характерно для воды аналитического качества.

Обобщенный стандарт на лабораторную воду, сравнительная таблица

Сравнительная таблица удельного сопротивления и областей применения воды сверхчистой воды, воды аналитического качества и воды общелабораторного применения.

Современные методы, технологии очистки воды

До недавнего времени основным методом приготовления высокочистой воды была дистилляция. Метод не утратил и не утратит своего значения, в особенности для приготовления инъекционной воды, но он имеет ряд ограничений.

1. получаемая вода имеет очень высокую себестоимость, обусловленную расходом электроэнергии на испарение и охлаждающей воды на последующую конденсацию.
2. дистилляцией, даже многократной, невозможно получить сверхчистую воду. Достигнутый предел – так называемая «вода Кольрауша», полученная путем 42 последовательных перегонок и имевшая удельное сопротивление при 25 оC 16,4 МОм*см.

Современный подход к производству воды высокой степени очистки основан на сочетании нескольких физико-химических процессов, последовательно удаляющих из воды примеси различных фазово-дисперсных состояний и при этом не изменяющих ее фазовое состояние. Вследствие этого себестоимость резко снижается по сравнению с дистилляцией, а достигаемая степень очистки становится на порядки выше и приближается к теоретическому пределу.

Сравнение лабораторных дистилляторов и современных комбинированных установок

Сравнение храрактеристик лабораторного оборудования для очистки воды: лабораторных дистилляторов, лабораторные бидистилляторов и современных установок.

Схема очистки воды в лабораторных установках

Рассмотрит технологические этыпы очистки воды в лабораторных установках в представленной схеме:

Основную часть затрат при эксплуатации современных комбинированных установок водоочистки для лабораторий составляет стоимость расходных картриджей, в первую очередь – ионообменных фильтров смешанного действия (ФСД) первой ступени. Поэтому первой ступенью обессоливания всегда является обратный осмос. Обратноосмотические мембраны удаляют из воды более 95% ионных примесей и служат при благоприятных условиях несколько лет. Однако исходная вода для обратного осмоса должна по ряду показателей быть значительно чище питьевой. Различие требований показано в таблице

Требования к питьевой воде и к исходной воде для обратного осмоса.

* Применяется для промышленных установок. Для лабораторных установок допускается Основную часть затрат при эксплуатации современных комбинированных установок водоочистки для лабораторий составляет стоимость расходных картриджей, в первую очередь – ионообменных фильтров смешанного действия (ФСД) первой ступени. Поэтому первой ступенью обессоливания всегда является обратный осмос. Обратноосмотические мембраны удаляют из воды более 95% ионных примесей и служат при благоприятных условиях несколько лет. Однако исходная вода для обратного осмоса должна по ряду показателей быть значительно чище питьевой. Различие требований показано в таблицею

Требования к питьевой воде и к исходной воде для обратного осмоса;

Применяется для промышленных установок. Для лабораторных установок допускается жесткость исходной воды до 4,5 мг-экв/л. При более высокой жесткости установка тоже будет работать, но рекомендуется установить на входе умягчитель. Зная состав исходной воды, можно легко подобрать подходящий блок предварительной очистки (БПО). Но обычно состав исходной воды у конечного пользователя заранее неизвестен, в том числе потому, что установки часто продаются через дилерскую сеть.

В РФ ситуация осложняется тем, что водопроводная вода более чем в 30% случаев не соответствует даже питьевым нормам. Поэтому правильным подходом, в особенности для нашей страны, является разумная избыточность БПО, причем эта избыточность должна быть тем выше, чем более высокие требования предъявляются к получаемой обессоленной воде (т.е. чем более сложный и дорогой блок обессоливания следует за БПО). Исходя из этого, БПО по умолчанию включает механические фильтры с зернистой загрузкой для удаления взвесей, в том числе окисленного железа, микрофильтр с рейтингом 5 мкм для снижения коллоидного индекса и угольный фильтр для удаления активного хлора. Если вода имеет высокую жесткость (более 5 мг-экв/л), то рекомендуется добавлять в состав БПО автоматический фильтр умягчения, в особенности, если блок обессоливания включает модуль электродеионизации (ЭДИ).

Если же исходная вода содержит растворенное двухвалентное железо и не содержит растворенного кислорода или активного хлора (это характерно для подземных вод, подаваемых в водопроводную сеть непосредственно из скважин без очистки), то на входе необходимо ставить полноценную систему обезжелезивания, состоящую, например, из аэрационной колонны и автоматического засыпного фильтра. Без ввода окислителя (воздуха или гипохлорита натрия) растворенное железо удалить невозможно.

Электропроводность пермеата обратного осмоса зависит от содержания растворенных солей

Удельная электропроводность пермеата обратного осмоса зависит от содержания в исходной воде растворенных солей (TDS, или total dissolved salts) и углекислого газа. Для вод с низким солесодержанием (менее 500 мг/л) достаточно одной ступени осмоса. Для вод с более высоким солесодержанием рекомендуется использовать двухступенчатый осмос. Пермеат после одной ступени осмоса на мембранах типоразмера 1812 имеет характерную удельную электропроводность на уровне 10-20 мкСм/см, после двух ступеней – 4-6 мкСм/см. Сравнительно высокая удельная электропроводность после двухступенчатого осмоса обусловливается растворенным углекислым газом, который не задерживается на мембранах.

От состава исходной воды, концентрация СО2 в пермеате может достигать десятков мг/л, тогда как концентрация других ионов (в основном, это NaCl) не превышает единиц мг/л. Растворенный углекислый газ в больших концентрациях является основным фактором, снижающим ресурс ФСД (ионообменного фильтра смешанного действия). Удаление углекислого газа в промышленных установках обратного осмоса производится путем подщелачивания исходной воды, при котором молекулярно-растворенный CO2 переходит в HCO3 - и удаляется на мембранах, как любой другой ион.

В лабораторных установках точно отдозировать подщелачивающий агент весьма затруднительно. Поэтому на углекислый газ в пермеате либо «закрывают глаза», либо используют для декарбонизации очень дорогие мембранные дегазаторы. В результате мембранной дегазации удельная электропроводность пермеата после второй ступени осмоса снижается до 1,7 – 2 мкСм/см. На рис.1 не показано получение воды типа 3 (≤ 5 мкСм/см).

Пермеат обратного осмоса в подавляющем большинстве случаев имеет удельную электропроводность >5 мкСм/см, а после дополнительного обессоливания на ионообменном фильтре смешанного действия (ФСД) – всегда менее 1 мкСм/см, что характерно для воды 2 типа.

Установки обратного осмоса и ионного обмена

В установках, построенных на сочетании обратного осмоса и ионного обмена, в качестве воды 3 типа фигурирует на самом деле либо пермеат, что во многих случаях устраивает конечного пользователя, либо вода 2 типа. А производить воду со стабильной удельной электропроводностью 5 мкСм/см можно, строго говоря, только методом дистилляции (именно поэтому она и называется дистиллированной).

В ФСД для получения воды 2 типа загружают иониты промышленного класса. Удельное сопротивление фильтрата после ФСД первой ступени на протяжении 75-80% фильтроцикла превышает 12-15 МОм*см, потом плавно снижается до 1,5-2 МОм*см и далее быстро увеличивается до исходного значения. Иногда вместо ФСД первой ступени применяют электродеионизацию.

Модули ЭДИ дороги, но они резко снижают эксплуатационные затраты на сменные картриджи. Если концентрация углекислого газа в пермеате обратного осмоса, поступающем на модуль ЭДИ, не превышает 5 мг/л, фильтрат после модуля ЭДИ имеет удельное сопротивление:

• в установках очистки воды с одной ступенью осмоса – более 10 МОм*см;
• в установках очистки воды с двумя ступенями осмоса – до 17 МОм*см.

Если же содержание углекислого газа в пермеате велико, то удельное сопротивление фильтрата после ЭДИ резко снижается, в отдельных случаях (СО2 ~ 50 мг/л) до 0,3 – 0,5 МОм*см. Тем не менее, применение ЭДИ экономически оправдывает себя даже в этих случаях. 12******* Если необходимо получить воду 1 типа, используют двухступенчатое обессоливание: на первой ступени – ФСД с ионитами промышленного класса или ЭДИ, на второй ступени – ФСД со специальными ионитами для сверхчистой воды. ФСД первой ступени заменяют сравнительно часто, ресурс ФСД второй ступени на несколько порядков выше. При необходимости достижения микробиологической чистоты и снижения ТОС в схему включают ультрафиолетовую лампу с двойной длиной волны: 185 нм для разрушения ТОС и 254 нм для стерилизации. Поскольку разрушение ТОС происходит с образованием углекислого газа, понижающего удельное сопротивление воды, после лампы всегда ставят ФСД для сверхчистой воды. Для дополнительного удаления ТОС в схему иногда включают финишные картриджи со смесью специального активированного угля и сверхчистого анионита.

На выходе из установки обычно устанавливают стерилизующий микрофильтр с размером пор 0,1– 0,22 мкм. Для удаления эндотоксинов, представляющих из себя структурные компоненты определённых бактерий, т.е., по сути, мельчайшие частички, используют финишную ультрафильтрацию с рейтингом 5 – 15 кДа.

Выбор установки системы водоснабжения для очистки воды

Для организации в лабораториях оптимальные системы водоснабжения, конечные пользователи должны хорошо ориентироваться в стандартах качества воды и уметь выбирать из всего многообразия выпускаемых установок именно те, которые наилучшим образом подходят для решения конкретных задач. Это тем более важно, что переход к каждому следующему типу более чистой воды требует применения дополнительных ступеней очистки и, соответственно, повышает стоимость оборудования и его эксплуатации. В статье мы систематизировали действующие международные и российские стандарты на лабораторную воду и соотнесли их с общепринятым обобщенным стандартом, определяемым возможностями применяемых технологий.

Согласно обобщенному стандарту, вода разделяется на три основных типа, в зависимости от степени чистоты: общелабораторного применения, аналитического качества и сверхчистая.

Градация охватывает все типы воды, описанные в стандартах для химических, аналитических и клинических лабораторий, а также все возможные варианты технологических схем очистки воды в современных лабораторных установках. Что касается технологий водоочистки, то на современном уровне развития техники оптимальным методом обессоливания является комбинация обратного осмоса и ионного обмена. По сравнению с традиционными дистилляторами, комбинированные установки тратят в 10 раз меньше воды, почти в 200 раз меньше электроэнергии и позволяют получать воду с чистотой, близкой к теоретически возможной.

Современные технологии, типы приборов для очистки воды, дистилляции воды