Источник:
Авдин, В.В. А187 Мембранные технологии и нанотехнологии для обеспечения экологической безопасности: учебное пособие / В.В. Авдин. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2017. – 70 с.
История понятия Осмоса
Осмос был открыт французским аббатом и физиком Жаном Антуаном Нолле (Nollet Jean Antoine, рис. 1) в 1748 г. Он решил поэкспериментировать со свиным пузырём, налил туда вина и погрузил в бочку с водой. Через некоторое время он увидел, что свиной пузырь существенно увеличился в объёме – вода проникла внутрь пузыря, в то время как все компоненты вина остались на месте. Нолле описал наблюдаемое явление, предположив, что из-за того, что в бочке вина нет, а есть только вода, а в пузыре есть и вино, и вода (вино ведь содержит 85-90 % об. воды), возникает давление, заставляющее воду проходить сквозь свиной пузырь и разбавлять вино. Это давление он назвал «осмос» от греческого – давление. Нолле также принадлежит и термин «мембрана», что переводится с латинского membrane как тонкая оболочка, перепонка. Лишь через 80 лет Рене Жоакен Анри Дютроше (René Joachim Henri Dutrochet, рис. 2), французский биолог, изучая функционирование клеток растений и животных вновь занялся исследованиями осмоса и впервые предложил использовать это явление для разделения жидкостей [1].
Суть явления осмоса
Суть явления осмоса заключается в том, что через мембрану – полупроницаемую перегородку – могут проходить почти исключительно только молекулы растворителя. Поэтому если некий резервуар разделить мембраной, то получившиеся части резервуара будут сообщающимися сосудами по растворителю, но не по растворённым веществам. Теперь если в одну часть сосуда поместить раствор какого-либо вещества, не проходящего через мембрану, а в другую – чистый растворитель, то в разделённых частях резервуара возникнет разница в концентрациях растворённого вещества. В отсутствие мембраны это привело бы к появлению диффузионных потоков растворённого вещества и встречных потоков растворителя. Но так как растворённое вещество через мембрану не проходит, то возникают только потоки растворителя. То есть растворитель «пытается» разбавить раствор в другой части резервуара (рис. 3). Силы, заставляющие растворитель двигаться в сторону высоких концентраций раствора, называются осмотическими.
Переход растворителя в одну из частей резервуара происходит под действием осмотического давления, вызванного осмотическими силами. В результате уровень жидкости в этой части будет повышаться. Так как части резервуара – сообщающиеся по растворителю сосуды, то с ростом уровня жидкости в «сосуде» с растворённым веществом будет расти гидростатическое давление, направленное против повышения этого уровня. Через некоторое время гидростатическое давление вырастет настолько, что сравняется с осмотическим давлением, и далее уровни жидкости в обеих частях резервуара останутся постоянными. Осмотическое давление можно вычислить как обратное гидростатическому давлению, определяемому через разницу в уровнях жидкости в «сообщающихся сосудах» (рис. 3б):
Если к части резервуара, в котором находится растворённое вещество, приложить сверху давление, равное осмотическому, то растворитель начнёт переходить через мембрану обратно в ту часть, где нет растворённого вещества и через некоторое время уровни жидкости в обеих частях резервуара сравняются. А если приложенное давление превысит осмотическое, то уровень в «сосуде» с растворённым веществом начнёт понижаться и таким образом раствор в этой части начнёт концентрироваться, а в другой части мы получим чистый растворитель. На таком принципе работают все обратноосмотические и мембранные установки. Основным достоинством мембранных методов является их высокая эффективность при сравнительно малой стоимости. Даже несмотря на большие значения рабочих давлений, расходы, например, на обессоливание воды на обратноосмотической очистке почти в 100 раз меньше, чем при использовании самых совершенных многокорпусных выпарных аппаратов. Небольшая себестоимость мембранных методов связана с тем, что мембранное разделение происходит без фазовых переходов. Это даёт возможность разделять практически любые растворы, в том числе нестойкие к повышенным температурам. Мембранное разделение происходит в живых организмах и на макроуровне, и на уровне отдельных клеток. А раз сама природа для разделения растворов идёт по этому пути, вероятно, он самый оптимальный, а, следовательно, самый перспективный.
Благодаря данному открытию, в современном мире возможны уникальные мембранные технологии, которые используются практически во всех сферах деятельности человека, удачного вам дня, коллеги!