Основы обратноосмотической обработки воды

В основу рассматриваемой модели процесса осмотического переноса воды через полупроницаемые мембраны положены следующие представления.

2. В мембране имеются поры диаметром, несколько большим диаметров молекул и гидратированных ионов растворенных веществ.
4. В соответствии с теорией Я. И. Френкеля молекулы в жидкостях находятся в колебательном движении околовременных положений равновесия: Диффузия состоит из скачков отдельных из одного временного положения равновесия в другое.

Рис. 1

Схема механизма осмотического переноса воды через полупроницаемую мембрану. молекулы воды; ионы и молекулы растворенного вещества; временные и возможные положения равновесия.

На рис. 1 изображена часть мембраны, с одной стороны которой находятся только молекулы воды, а с другой – и молекулы воды, и частицы большего размера. Если в какой-то момент времени растворенная в воде частица займет положение 1, то показанная на рис. 1 пора будет закрыта. Через нее прекратиться перенос молекул воды полностью. В какой-то следующий момент времени растворенная в воде частица из положения 1 скачком займет положение 2. Тем самым образуется вакансия в положении 1. В точку 1 с определенной вероятностью могут попасть молекулы воды, как из раствора, так и из поры. Таким образом, сразу же после перемещения растворенной частицы из положения 1 в положение 2 возникает возможность для скачка молекулы воды из поры мембраны в раствор, причем вероятность попадания молекул воды из раствора в пору мембраны в этот период времени близка к нулю.

Если Р – пористость мембран (доля поверхности мембраны, занятая порами), то на долю тех пор, ситуация около которых соответствует изображенной на рис. 1 приходится:

 

 

площади мембран. Действительно, член NАіC/М равен числу частиц растворенного вещества в 1 л, а – числу молекул воды в растворе.

Для диффузионного (осмотического) переноса воды через эти поры движущей силой является разность активных концентраций воды у правого и левого устьев поры. Но, как уже отмечалось, осмотический перенос через поры происходит в соответствии с рассматриваемой моделью только в том случае, когда правое (см. рис. 1) устье поры свободно от молекул воды и разность активных концентраций воды по разные стороны этих пор равна концентрации воды в дистиллированной воде.

На основании изложенного для количества воды, прошедшей в результате осмотического переноса через 1м2 площади мембраны, может быть написана следующая зависимость:

(4.7)

Для случая сильно разбавленных растворов это уравнение примет вид:

(4.8)

если ввести обозначение:

(4.9)

и принять во внимание уравнение (5), то формула (8) преобразуется в зависимость (4). Отсюда следует, что формула (8) находится в соответствии с экспериментальными данными по осмотическому переносу воды через полупроницаемые мембраны. Предложенный механизм позволяет количественно точно описать процесс осмотического переноса воды не только из разбавленных, но и концентрированных растворов, а также процесс осмотического переноса дистиллированной воды в коллоидные растворы через ультрафильтрационные мембраны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Осмос

 

- своеобразная форма явлений  диффузии, приобретшая весьма важное значение в теории растворов. Явления Осмос наблюдаются, когда жидкости приходят в взаимодействие через перепонки. Если взять сосуд, в котором вместо дна - перепонка, напр. пузырь, наполнить сосуд соляным раствором и погрузить в воду, то, по мере того, как будет происходить диффузия через перепонку, уровень жидкости в сосуде будет повышаться, обнаружится явление Осмос В данном примере это будет эндосмос, при обратном нарушении уровней - эксосмос. Первые опыты с Осмос принадлежат Нолле, дальнейшие исследования - Дютроше, Брюкке, Фирорту и др. Осмос весьма часто встречается и играет весьма важную роль в явлениях, происходящих в организмах. Траубе указал способ искусственно образовать перепонки, приводя осторожно в прикосновение растворы таких двух тел, от взаимодействия которых образуется нерастворимый, аморфный осадок; погружая каплю клея в раствор таннина, он приготовляет таким образом искусственную клеточку, т.е. каплю раствора, облеченную тонкой оболочкой нерастворимого соединения клея с таннином, и через эту перепонку происходили явления Осмос Значительный шаг вперед в изучении явлений Осмос сделан был Пфеффером. Он вызывал образование перепонки внутри стенок сосуда из пористой глины и этим путем достиг возможности измерять те большие разности давлений, которыми сопровождаются явления Осмос Пфеффер приготовлял свои сосуды обыкновенно таким образом: сосуд из пористой глины смачивался водой, наполнялся раствором красной соли и погружался в раствор медного купороса, при этом в порах сосуда образовывались пленки нерастворимой железосинеродной меди. Таким путем приготовлены были "полупроницаемые стенки". Явления Осмос происходят от того, что диффузионный ток происходит через перепонку в двух противоположных направлениях не с одинаковой скоростью. Перепонка выдерживает в большей или меньшей степени диффузию одной из составных частей, вследствие этого и происходит поднятие уровня жидкости по ту сторону перепонки, где находится или преобладает эта худо диффундирующая через данную перепонку составная часть раствора. Пфефферу удалось достигнуть предельного случая, т. е. условий, при которых скорость диффузии через описанную стенку растворенного в воде тела была ничтожно мала. Тогда происходила односторонняя диффузия, диффундировала только вода, а стенка являлась полупроницаемой. При помощи таких сосудов Пфеффер произвел целый ряд измерений осмотического давления, т. е. давления, которое возникает вследствие разности уровней, вызываемой Осмос через полупроницаемую стенку. Если в сосуд с полупроницаемой стенкой поместить раствор, напр., сахара и погрузить сосуд в воду, то вода до тех пор будет проникать через полупроницаемую стенку к раствору, пока уровень в сосуде не достигнет известной высоты; стенка будет испытывать тогда изнутри определенное осмотическое давление. Если раствор сразу подвергнуть этому давлению, то Осмос не происходит; если же приложить большее давление, то, вместо эндосмоса, будет происходить эксосмос, движение воды из сосуда от раствора через стенку. Раствор, заключенный в полупроницаемую оболочку и погруженный в этой оболочке в воду, уподобляется, следовательно, газу: оболочка испытывает определенное давление и, если она ему уступает, то происходить увеличение объема от проникания воды и, вместе с тем, уменьшение крепости раствора (концентрации). При помощи полупроницаемой стенки, пользуясь явлением О., можно изменять крепость раствора давлением так же, как и плотность газа. Осмотическое давление раствора данного тела зависит только от температуры и от крепости раствора, т. е. от содержания в единице объема раствора непроникающей через оболочку его составной части (напр. в приведенном примере от концентрации сахара) и не зависит от природы оболочки, которая влияет лишь на скорость Осмос Осмотическое давление возрастает при увеличении крепости раствора и при повышении температуры. Теоретическое значение приема "полупроницаемой стенки", законы, управляющие величиной осмотического давления, а также связь между осмотическим давлением и другими свойствами растворов указаны Вант-Гоффом (_см. "Zeitschrift fur Physikalische Chemie", 1887). Пользуясь наблюдениями Пфеффера над величинами осмотического давления и производя соответствующие расчеты Вант-Гофф, пришел к нижеследующему чрезвычайно важному выводу: "осмотическое давление равно тому давлению, которое обнаруживалось бы, если бы тоже количество растворенного тела в состоянии газа наполняло бы объем, равный объему раствора. Напр., по опытам Пфеффера, осмотическое давление раствора сахара, заключающего 1 гр. сахара в 100,6 куб. стм. (однопроцентный раствор) при 15,5ё равно 0,684 атмосферного давления; принимая же вес частицы сахара согласно формуле С12Н12О11 равным 342, находим газовое давление для вещества с частичным весом 342, при температуре 15,5ё и при содержании его 1 гр. В 106,5 куб. стм., равным:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О́смос (от греч. ὄσμος — толчок, давление) — процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону бо́льшей концентрации растворённого вещества из объёма с меньшей концентрацией растворенного вещества.

Более широкое толкование явления осмоса основано на применении Принципа Ле Шателье — Брауна: если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия.

 

Суть процесса

Рис. 1. Осмос через полупроницаемую мембрану. Частицы растворителя (синие) способны пересекать мембрану, частицы растворённого вещества (красные) — нет.

Явление осмоса наблюдается в тех средах, где подвижность растворителя больше подвижности растворённых веществ. Важным частным случаем осмоса является осмос через полупроницаемую мембрану. Полупроницаемыми называют мембраны, которые имеют достаточно высокую проницаемость не для всех, а лишь для некоторых веществ, в частности, для растворителя. (Подвижность растворённых веществ в мембране стремится к нулю). Как правило, это связано с размерами и подвижностью молекул, например, молекула воды меньше большинства молекул растворённых веществ. Если такая мембрана разделяет раствор и чистый растворитель, то концентрация растворителя в растворе оказывается менее высокой, поскольку там часть его молекул замещена на молекулы растворённого вещества (см. Рис. 1). Вследствие этого, переходы частиц растворителя из отдела, содержащего чистый растворитель, в раствор будут происходить чаще, чем в противоположном направлении. Соответственно, объём раствора будет увеличиваться (а концентрация вещества уменьшаться), тогда как объём растворителя будет соответственно уменьшаться.

Например, к яичной скорлупе с внутренней стороны прилегает полупроницаемая мембрана: она пропускает молекулы воды и задерживает молекулы сахара. Если такой мембраной разделить растворы сахара с концентрацией 5 и 10 % соответственно, то через нее в обоих направлениях будут проходить только молекулы воды. В результате в более разбавленном растворе концентрация сахара повысится, а в более концентрированном, наоборот, понизится. Когда концентрация сахара в обоих растворах станет одинаковой, наступит равновесие. Растворы, достигшие равновесия, называются изотоническими. Если принять меры, чтобы концентрации не менялись, осмотическое давление достигнет постоянной величины, когда обратный поток молекул воды сравняется с прямым.

Осмос, направленный внутрь ограниченного объёма жидкости, называется эндосмосом, наружу — экзосмосом. Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением. Это осмотическое давление возникает соответственно Принципу Ле Шателье из-за того, что система пытается выровнять концентрацию раствора в обеих средах, разделенных мембраной, и описывается вторым законом термодинамики. Оно равно избыточному внешнему давлению, которое следует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить процесс, то есть создать условия осмотического равновесия. Превышение избыточного давления над осмотическим может привести к обращению осмоса — обратной диффузии растворителя.

В случаях, когда мембрана проницаема не только для растворителя, но и для некоторых растворённых веществ, перенос последних из раствора в растворитель позволяет осуществить диализ, применяемый как способ очистки полимеров и коллоидных систем от низкомолекулярных примесей, например электролитов.

Значение осмоса

Осмос играет важную роль во многих биологических процессах. Мембрана, окружающая нормальную клетку крови, проницаема лишь для молекул воды, кислорода, некоторых из растворённых в крови питательных веществ и продуктов клеточной жизнедеятельности; для больших белковых молекул, находящихся в растворённом состоянии внутри клетки, она непроницаема. Поэтому белки, столь важные для биологических процессов, остаются внутри клетки.

Осмос участвует в переносе питательных веществ в стволах высоких деревьев, где капиллярный перенос не способен выполнить эту функцию.

Осмос широко используют в лабораторной технике: при определении молярных характеристик полимеров, концентрировании растворов, исследовании разнообразных биологических структур. Осмотические явления иногда используются в промышленности, например при получении некоторых полимерных материалов, очистке высоко-минерализованной воды методом обратного осмоса жидкостей.

Клетки растений используют осмос также для увеличения объёма вакуоли, чтобы она распирала стенки клетки (тургорное давление). Клетки растений делают это путём запасания сахарозы. Увеличивая или уменьшая концентрацию сахарозы в цитоплазме, клетки могут регулировать осмос. За счёт этого повышается упругость растения в целом. С изменениями тургорного давления связаны многие движения растений (например, движения усов гороха и других лазающих растений). Пресноводные простейшие также имеют вакуоль, но задача вакуолей простейших заключается лишь в откачивании лишней воды из цитоплазмы для поддержания постоянной концентрации растворённых в ней веществ.

Осмос также играет большую роль в экологии водоёмов. Если концентрация соли и других веществ в воде поднимется или упадёт, то обитатели этих вод погибнут из-за пагубного воздействия осмоса.

Использование в промышленности

Первая в мире электростанция — прототип, использующая для выработки электричества явление осмоса, запущена компанией Statkraft 24 ноября 2009 года в Норвегии вблизи города Тофте. Солёная морская и пресная вода на электростанции разделены мембраной. Так как концентрация солей в морской воде выше, между солёной водой моря и пресной водой фьорда развивается явление осмоса — постоянный поток молекул воды через мембрану в сторону солёного раствора, в результате чего образуется давление пресной воды на мембрану.[1] Это давление соответствует давлению столба воды в 120 метров высотой, то есть достаточно высокому водопаду. Поток воды достаточен, чтобы приводить в действие гидротурбину, вырабатывающую энергию.[2] Производство носит ограниченный характер, основная цель — тестирование оборудования. Самый проблематичный компонент электростанции — мембраны. По оценкам специалистов Statkraft мировое производство может составить от 1 600 до 1 700 TWh, что сравнимо с потреблением Китая в 2002. Ограничение связано с принципом действия — подобные электростанции могут быть построены только на морском побережье.[3] Это не вечный двигатель, источником энергии является энергия солнца. Солнечное тепло отделяет воду от моря при испарении и посредством ветра переносит на сушу. Потенциальная энергия используется на гидроэлектростанциях, а химическая энергия долго оставалась без внимания.

 

 

См. также

• Обратный осмос
• Прямой осмос
• Электроосмос
• Аномальный осмос

Обратный осмос — процесс, в котором с помощью давления принуждают растворитель (обычно вода) проходить через полупроницаемую мембрану из более концентрированного в менее концентрированный раствор, то есть в обратном для осмоса направлении. При этом мембрана пропускает растворитель, но не пропускает некоторые растворённые в нём вещества.

 

Обратный осмос используют с 1970-х годов при очистке воды, получении питьевой воды из морской воды, получении особо чистой воды для медицины, промышленности и других нужд. С помощью обратного осмоса также можно производить концентраты соков без нагрева.

Прямой (также естественный[1] или обычный[2]) осмос — осмотический процесс, в котором растворитель (обычно вода), отделённый от раствора полупроницаемой мембраной, самопроизвольно переходит через мембрану в сторону раствора.[2]

Опреснение воды с использованием прямого осмоса

 

Суть процесса состоит в следующем: с одной стороны полунепроницаемой мембраны находится солёная вода, которую нужно опреснить; с другой стороны мембраны — концентрированный раствор специально подобранного вещества. Под действием сил прямого осмоса пресная вода просачивается сквозь мембрану со стороны солёной воды в сторону концентрированного раствора, разбавляя его. После чего меняют температуру полученного раствора, вещество покидает (разлагается либо выпадает в осадок) раствор, и в итоге получается раствор концентрации меньшей, чем исходная солёная вода.