8.6: Зворотний осмос

Last updated
Save as PDF

Page ID: 19265

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Що таке зворотний осмос, і яке його основне застосування?
Поясніть роль осмотичного тиску в збереженні їжі, і наведіть приклад.
Опишіть роль осмосу в підйомі води в рослині (де знаходиться напівпроникна мембрана?) , і чому це не може бути єдиною причиною у дуже високих дерев.

Якщо для досягнення осмотичної рівноваги потрібен тиск\(Π\) атм, то випливає, що застосування гідростатичного тиску, більшого, ніж це, до високорозчинної сторони осмотичної клітини змусить воду стікати назад у прісноводну сторону. Цей процес, відомий як зворотний осмос, зараз є основною технологією, яка використовується для опріснення океанської води та регенерації «використаної» води з електростанцій, стоків і навіть із стічних вод. Він також широко використовується для деіонізації звичайної води та очищення її для промислових цілей (особливо для виробництва напоїв та харчових продуктів) та питних цілей.

осмос [2] .png ревосмоз-1 [1] .png

Для попередньої обробки зазвичай використовується фільтрація з активованим вугіллям для видалення органіки та хлору (який має тенденцію до пошкодження мембран RO). Хоча бактерії не в змозі пройти через напівпроникні мембрани, останні можуть розвинути точкові витоки, тому часто радять певну форму дезінфекції. Ефективність і вартість або RO критично залежать від властивостей напівпроникної мембрани.

ро_тампа [1] .jpg — (ліворуч) Крупномасштабні установки RO використовують кілька мембранних картриджів. Цей, в Tampa Bay FL, постачає опріснену питну воду 2,4 мільйонам жителів. (праворуч) Багато менших блоків зворотного осмосу, придатних для домашнього використання, можуть поміститися під кухонною раковиною.

домашня сторінка [1] .jpg — (ліворуч) Крупномасштабні установки RO використовують кілька мембранних картриджів. Цей, в Tampa Bay FL, постачає опріснену питну воду 2,4 мільйонам жителів. (праворуч) Багато менших блоків зворотного осмосу, придатних для домашнього використання, можуть поміститися під кухонною раковиною.

Осмотична генерація електроенергії

Осмотичний тиск морської води становить майже 26 атм. Так як тиск в 1 атм буде підтримувати стовп води висотою 10,6 м, це означає, що осмотичний потік прісної води через напівпроникну мембрану в морську воду міг би в принципі підтримувати стовп останньої на 26 х 10,3 = 276 м (904 футів)!

Отже, уявіть осмотичну комірку, в якій з одного боку подається прісна вода з річки, а інша сторона - морською водою. Осмотичний потік прісної води в сторону морської води змушує останню вгору через стояк, що містить турбіну, з'єднану з генератором, забезпечуючи тим самим постійне і безпаливне джерело електроенергії. Ключовим компонентом такої схеми, вперше запропонованої ізраїльським вченим в 1973 році і відомої як сповільнений осмос під тиском (PRO), звичайно, є напівпроникна мембрана, здатна пропускати воду з досить високою швидкістю.

потужність осмосу [1] .png

Перший в світі експериментальний завод PRO був відкритий в 2009 році в Норвегії. Його потужність становить лише 4 кВт, але він служить доказом принципу схеми, яка, за оцінками, здатна забезпечувати до 2000 терават-годин енергії по всьому світу. Напівпроникна мембрана працює при тиску близько 10 атм і пропускає 10 л води в секунду, генеруючи близько 1 ват на м ² мембрани. PRO є лише однією з форм градієнтної потужності солоності, яка залежить від різниці між концентраціями солі в різних водоймах.

1 атм еквівалентний 1034 г см ^—2, тому з щільності води отримуємо (1034 г см ^—2) ÷ (1 г см ^—3) = 1034 см = 10,3 м.

Осмос в біології та фізіології

Оскільки багато мембран і тканин клітин рослин і тварин, як правило, проникні для води та інших дрібних молекул, осмотичний потік відіграє важливу роль у багатьох фізіологічних процесах.

Звичайний сольовий розчин

Інтер'єри клітин містять солі та інші розчинні речовини, які розріджують внутрішньоклітинну воду. Якщо клітинна мембрана проникна для води, розміщення клітини в контакті з чистою водою буде втягувати воду в клітину, схильний до її розриву. Це легко і різко видно, якщо еритроцити поміщають в краплю води і спостерігають через мікроскоп, коли вони лопаються. Це є причиною того, що «звичайний сольовий розчин», а не чиста вода, вводять для того, щоб підтримувати об'єм крові або вливати лікувальні засоби під час медичних процедур.

Щоб запобігти подразненню чутливих мембран, завжди слід додавати трохи солі у воду, яка використовується для зрошення очей, носа, горла або кишечника. Нормальний фізіологічний розчин містить 0,91% в/в хлориду натрію, що відповідає 0,154 М, що робить його осмотичний тиск близьким до тиску крові.

Консервація продуктів харчування

Сушка фруктів, використання цукру для консервування варення і желе, а також використання солі для консервування деяких видів м'яса - це вікові методи консервування їжі. Ідея полягає в тому, щоб зменшити концентрацію води до рівня нижче, ніж у живих організмів. Будь-яка бактеріальна клітина, яка блукає в таке середовище, матиме з неї осмотично витягнуту воду, і загине від зневоднення. Подібний ефект помічає кожен, хто тривалий час тримає цукерку з твердим цукром біля внутрішньої стінки рота; уражена поверхня стає зневодненою і помітно шорсткою при дотику до мови.

У харчовій промисловості те, що відомо як активність води, вимірюється за шкалою від 0 до 1, де 0 вказує на відсутність води, а 1 вказує на всю воду. Мікроорганізми псування їжі, в основному, гальмуються в їжі, де активність води нижче 0,6. Однак якщо рН їжі менше 4,6, мікроорганізми пригнічуються (але не відразу вбивають], коли активність води нижче 0,85.

Діарея

Наявність надлишку розчинених речовин в кишечнику витягує воду зі стінок кишечника, породжуючи діарею. Це може статися, коли вживається їжа, яка не може бути належним чином перетравлена (як, наприклад, молоко у непереносимих лактози людей). Неперетравлений матеріал сприяє концентрації розчиненої речовини, підвищуючи його осмотичний тиск. Ситуація погіршується, якщо матеріал піддається бактеріальному бродінню, що призводить до утворення метану і вуглекислого газу, утворюючи пінистий розряд.

Водний транспорт на заводах

Осмотичний потік відіграє важливу роль у транспортуванні води від її джерела в грунті до її виділення транспірацією з листя, йому допомагають разом сили водню між молекулами води. Підйом капілярів не вважається значним фактором.

Вода потрапляє в коріння через осмос, обумовлений низькою концентрацією води всередині коренів, що підтримується як активним [неосмотичним] транспортом іонних поживних речовин з ґрунту, так і постачанням цукрів, які фотосинтезуються в листі. Це створює певну кількість кореневого тиску, який посилає молекули води на шляху вгору по судинних каналах стебла або стовбура. Але максимальний тиск коренів, який був виміряний, може підштовхнути воду лише близько 20 метрів, тоді як найвищі дерева перевищують 100 метрів. Кореневий тиск може бути єдиним водієм водного транспорту у коротких рослин або навіть у високих, таких як дерева, яких немає в листі. Той, хто бачив, мабуть, ніжні та тендітні рослини, що штовхають свій шлях через асфальтове покриття, не може не бути вражений!

Але коли більш високі рослини активно транспірують (втрачаючи воду в атмосферу], осмос отримує поштовх від того, що фізіологи рослин називають напругою згуртованості або транспіраційним потягом. Коли кожна молекула Н ₂ О виходить з отвору в листі, вона тягне за собою ланцюжок молекул. Так що водневе зв'язування не менш важливо, ніж осмос в загальному процесі водного транспорту. Якщо грунт стає сухим або засоленим, осмотичний тиск зовні кореня стає більше, ніж всередині рослини, і рослина страждає від «напруги води», т. Е.

Риба п'є воду? Вони мочаться?

Наступний розділ трохи довгий, але для тих, хто цікавиться біологією, він пропонує прекрасний приклад того, як обмеження, накладені осмосом, керують еволюцією океанічних живих істот у прісноводні види. Це стосується аміаку NH ₃, продукту білкового обміну, який генерується у всіх тварин, але є високотоксичним і повинен бути усунений.

Морські безхребетні (ті, що живуть у морській воді) покриті мембранами, досить проникними для води та дрібних молекул, таких як аміак. Таким чином, вода може розсіюватися в будь-якому напрямку, якщо потрібно, а аміак може розсіюватися так само швидко, як він утворюється. Нічого особливого тут немає.

Безхребетні, які живуть у прісній воді, мають проблеми: концентрація солі в їх тілі становить близько 1%, набагато більше, ніж у прісній воді. З цієї причини вони еволюціонували навколишні мембрани, які значною мірою непроникні для солей (щоб запобігти їх дифузії з організму) та води (щоб запобігти осмотичному потоку всередину.) Але ці організми також повинні вміти обмінюватися киснем і вуглекислим газом зі своїм середовищем. Спеціальні органи дихання (зябра), які опосередковують цей процес, як наслідок проникності цих двох газів, також дозволять молекулам води (розміри яких можна порівняти з розмірами дихальних газів). З метою захисту прісноводних безхребетних від згубного впливу необмеженого припливу води через зяброві мембрани ці тварини володіють спеціальними видільними органами, які виганяють зайву воду назад в навколишнє середовище. Таким чином, у таких тварин відбувається постійний потік води, що проходить через організм. Аміак та інші речовини, які потрібно вивести, поглинаються цим потоком, який становить безперервний потік розведеної сечі.

Риби діляться на два загальні класи: більшість риб мають кісткові скелети і відомі як телести. Акули і промені мають хрящі замість кісток, і називаються елазмобранчами. Для телеосів, які живуть у прісній воді, ситуація дуже така ж, як і з прісноводними безхребетними; вони приймають і виділяють воду безперервно. Те, що тварина живе у воді, не означає, що воно користується необмеженим запасом води. Морські телепередачі мають більш складну проблему. Їх зябра проникні для води, як і у морських безхребетних. Але вміст солі в морській воді (близько 3%), що перевищує приблизно 1% у крові риби, витягував би воду з риби. Таким чином, ці тварини постійно втрачають воду, і піддаються висиханню, якби вода могла вільно проходити з їхніх зябер. Деякі, звичайно, і разом з ним йде велика частина його азоту у вигляді NH ₃.

Фізіологія лосося реагує на прісну і морську воду для підтримки осмотичного балансу. Риби є осморегуляторами, але повинні використовувати різні механізми, щоб вижити в (а) прісноводних або (б) морських середовищах. Зображення використовується з дозволу (CC BY 3.0; OpenStax).

При цьому велика частина відпрацьованого азоту виходить не через звичайні органи виділення, як у більшості хребетних, а через зябра. Але щоб не допустити надмірної втрати води, зябра знизили проникність до цієї води, а разом з нею і до порівнянних розмірів NH ₃. Таким чином, щоб запобігти токсичності аміаку, залишок його перетворюється в нетоксичну речовину (триметиламін оксид (CH ₃) ₃ NO), яка виводиться через нирки.

Морські елазмобранхи вирішують проблему втрати води іншим способом: вони перетворюють відходи аміаку в сечовину (NH ₃) ₂ CO, яка є добре розчинною та нетоксичною. Їх нирки здатні контролювати кількість сечовини, що виділяється таким чином, що в їх крові зберігається близько 2-2,5 відсотка цієї речовини. У поєднанні з 1 відсотком солей та інших речовин у їх крові це підвищує осмотичний тиск всередині тварини трохи вище, ніж морська вода, Таким чином, той самий механізм, який захищає їх від отруєння аміаком, також забезпечує їм достатнє водопостачання.