Verificación de calidad del agua Ultra Pura

Contexto

El agua ultrapura es un insumo de uso fundamental en la industria de los semi conductores y con mayor énfasis en la industria farmacéutica. El agua ultrapura contiene únicamente iones H+ (hidrogenión) y OH- (oxidrilo) en equilibrio. No debería presentar ningún contaminante, es completamente libre de sólidos disueltos y suspendidos. La conductividad esperada en este tipo de agua es de 0,054 uS/cm (micro Siemens por centímetro) evaluado a 25 °C. Ahora bien, cuando se hacen lecturas de conductividad con valores tan bajos suele ser recomendable usar un parámetro inverso de manera de lograr valores más altos que son más estables a la hora de usar instrumentos de medición electrónica. En este sentido, se puede manejar la resistividad cuyo valor está en 18,3 MOhm (Mega ohmios).

La conductividad es un parámetro ampliamente usado para la el control de calidad del agua ultrapura, y del agua en general. Cuando sales o gases ingresan en contacto con el agua, incluso a nivel de trazas, la conductividad revela esta contaminación inmediatamente, por muy baja que sea. La conductividad tiene una respuesta de 7 a 8 veces más grande que la concentración del contaminante. Por ejemplo, 1 ug de NaCl agregado en un litro de agua ultra pura incrementa hasta 4% la conductividad, la sensibilidad del parámetro es muy aguda. En efecto, la calidad del agua se define por su conductividad, la figura a continuación define una escala de categorización según la conductividad.

Figura 1

Escala de conductividad para categorización del agua, donde UPW representa al agua ultra pura por sus siglas en inglés.

El agua, cualquiera fuera su naturaleza, que sería usada en la industria farmacéutica, está regulada por lo establecido en las farmacopeas, americana y europea, misma que más de diez años ha establecido la conductividad como parámetro de control y categorización del agua. Sin embargo, y citando a Jensen y Thirstrup (2016), un problema muy serio se da en la trazabilidad, ya que no existe un patrón o estándar cuyo valor se acerque a la lectura esperada en agua ultrapura o incluso pura, normalmente el patrón de valor más bajo debe disolverse hasta en 4 veces su magnitud. Por ejemplo, la solución HI 7033, de 84 uS/cm, que es la de menor valor y certificada, ofrecida por Hanna Instruments, aún resulta grande para una medida menor a 1 uS/cm. Por lo que, recurrir a modificaciones de la constante de celda suele ser una opción más sencilla para garantizar las lecturas en conductividades bajas donde no haya un patrón de verificación.

Existen una seria de factores que afectan a la conductividad, y por consecuencia a la calidad de la lectura de este parámetro, si bien muchos de ellos han sido compensados a medida que ha evolucionado la tecnología de los medidores, es bueno considerarlos como posibles fuentes de variación. La resistencia y capacitancia del cable juegan un papel importante, principalmente si se trata de un medidor de dos polos (amperométrico), ya que en los sensores de 4 anillos (potenciométrico) a penas hay flujo de corriente. Si las conductividades son bajas la influencia del cable puede ser mayor, se puede subsanar reduciendo la frecuencia de la corriente aplicada. Por otro lado, está la temperatura. La conductividad aumenta con la temperatura, esto ya ha sido subsanado en la mayoría de los medidores de temperatura con la corrección automática de temperatura (ATC). El comportamiento normalmente es lineal y se puede ajustar mediante un valor determinado conocido como coeficiente de compensación de temperatura.

La concentración de iones en la solución influye de gran manera, por lo que es tradicional que los medidores lleven consigo la propiedad de cambiar la constante de celda para ajustar las lecturas desde micro Siemens hasta Siemens, ante la ausencia de patrones en valores extremadamente bajos. De igual manera, el efecto CO2, es muy importante de considerar. Si bien en el aire existen muchos gases que lo componen, mayoritariamente, oxigeno, nitrógeno, y dióxido de carbono, únicamente este último se disuelve en agua como ion, formando el ácido carbónico (H2CO3) y se disocia en iones carbonato, y bicarbonato. Este se constituye en el principal contaminante. Se ha demostrado que una muestra de agua de 0,05 uS/cm que se vierte de un vaso al otro aumenta su conductividad hasta 1 uS/cm, en cuestión de segundos. Para Jensen y Thirstrup, 2016, cualquier medición debajo de 50 uS/cm se debe realizar en celdas de medición cerradas y debajo de 10 uS/cm se debe usar un gas de protección inerte como el N2. La celda de flujo continuo es la mejor alternativa en estos casos.

En este sentido, se puede entender por qué resulta ser un desafío la medición de conductividad en agua ultrapura.

Contribución

Una empresa farmacéutica en La Paz - Bolivia, produce agua ultrapura (menos de 1 uS/cm) y desean hacer la medición de este parámetro con fines de gestión y certificación del producto. Ahora bien, el sistema que utilizan para lograr el producto cuenta con un sensor de conductividad en línea que realiza las lecturas por pulsaciones, a partir de este sistema se alimenta una serie de redes y terminales que ofrecen el agua tratada a las diferentes unidades de producción que lo requieren.

En primera instancia, y basados en lo establecido en bibliografía, se recomendó el medidor HI 98197, este equipo está diseñado exclusivamente para el uso en agua ultrapura. Cuenta con un sensor de 4 anillos que ofrece lecturas de alta precisión en un rango de 0 a 1000.0 mS/cm con posibilidad de cambiar escalas y una resolución mínima de 0,001 uS/cm dando precisión de +- 1% todo esto con baja interferencia de cable. Asimismo, tiene una celda de flujo continuo que permite la incorporación del electrodo y una línea de salida del agua en medición, de manera que se puede lograr la lectura sin que la muestra ingrese en contacto con el aire, evitando totalmente el efecto del CO2 como contaminante. Como parte del servicio de Hanna Instruments, se hizo pruebas del equipo en instalaciones del cliente, logrando excelentes resultados mismos que replicaban los valores enviados por el sensor propio del sistema de tratamiento de agua.

Sin embargo, el cliente indica que prefiere una solución no portátil, sino de mesa. En este sentido, se recomendó el equipo HI 5321, este es un medidor de conductividad de mesa de grado investigativo. Cuenta, de igual manera, con un sensor de 4 anillos para mediciones en amplio rango de 0.000 a 1000.0 mS/cm con posibilidad de cambio de escala, resolución de 0,001 uS/cm y precisión de +- 1%. Ahora bien, en la lectura simple y usando las características que vienen por defecto con el equipo no se lograron buenos resultados, el efecto contaminante se hizo evidente muy rápidamente y las lecturas son muy inestables en la constante de celda que se logra al calibrar en un estándar de 84 uS/cm (el más bajo del mercado), por su puesto, debido a que el valor de 84 está totalmente distante del valor esperado en las lecturas, menor a 1 uS/cm.

En este sentido, y como parte del servicio de Hanna Instruments, se ofreció todo el soporte para lograr la meta trazada. El cliente apreció en gran manera la posibilidad de editar la constante de celda en un rango de 0.0500 a 200.00 1/cm, de esta manera, y bajo un proceso iterativo, se logró identificar una constante de celda adecuada bajo la cual se obtienen lecturas más estables y cercanas al valor esperado, por su puesto con una ligera desviación propia de la naturaleza de la muestra que, en este caso, si está expuesta al medio ambiente. Esta corrección, junto a la selección adecuada de un coeficiente de compensación de temperatura (4,55 %/°C) extraído de bibliografía, permitieron lograr lecturas estables y que repliquen los valores entregados por el sensor patrón. De esta manera, se logró vencer los efectos adversos que se presentan a la hora de cuantificar conductividad en muestras de agua ultrapura. Se recomendó adicionalmente incorporar al procedimiento agitación ligera que no produzca un vórtice o bien cambiar el parámetro de control de conductividad a resistividad, el equipo mencionado cuenta con la posibilidad de realizar esta lectura sin inconvenientes y al ser la inversa de un número pequeño produce un resultado grande que es más sencillo de tratar y estabilizar para cualquier equipo electrónico.

El cliente quedo conforme con la solución otorgada y el soporte brindado, en Hanna Instruments, buscamos colaborar a nuestros clientes para encontrar las mejores soluciones a la medida específica de cada caso, desde la parte técnica y comercial.

Bibliografía

• Hans D. Jensen & Carsten Thirstrup (2014) Direct Traceability for Ultra-Pure
  Water Conductivity, NCSLI Measure, 9:1, 68-72, DOI: 10.1080/19315775.2014.11721676