Николай Глухов - Беседы о физике и технике

СУЩЕСТВУЕТ ЛИ ОСМОС В ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ ИЛИ ТОЛЬКО В ЛАБОРАТОРНЫХ ПРИБОРАХ?

Осмос и осмотическое давление играют огромную роль в процессах жизнедеятельности, в частности в явлениях распределения воды. Животные и растительные клетки представляют собой в сущности микроскопические осмотические системы. Осмотическое давление в клетках растений составляет 500—1000 кПа, а осмотическое давление крови человека — 746–776 кПа.

Падение осмотического давления в живых клетках (например, при обезвоживании организма) приводит их к сжатию (коллапсу), и, наоборот, обессоливание организма может привести к неравновесному разбуханию и разрыву клеток (осмотический шок).

Так, при сильных кровотечениях наступающий шок обусловлен не собственно потерей крови, а резким падением осмотического давления и сужением сосудов. Поэтому для восстановления осмотического давления и устранения шока пострадавшим от потери крови вводят инертные высокомолекулярные заменители вместо плазмы крови.

Осмотическое давление пресной воды в реках и озерах обычно меньше 100 кПа, для соленой воды морей и океанов оно в 25–35 раз больше этой величины, а для клеточного сока семян растений может достигать 10 МПа — вот почему семена высасывают необходимую для прорастания воду даже из очень сухой почвы.

Осмос широко используют не только в научной практике, но и в промышленных целях: существуют, например, осмотические методы определения молярной массы веществ, разделения газов, так как и для газовых смесей можно, как оказалось, подобрать осмотические ячейки с соответствующими мембранами.

А ЧТО ТАКОЕ ОБРАТНЫЙ ОСМОС?

Естественно задать вопрос: что будет, если к раствору приложить давление, превышающее осмотическое?

Оказалось, что в этом случае вода из водного раствора пойдет в обратном направлении — из раствора, причем тем быстрее, чем больше перепад давлений. На этом и основан новый метод разделения растворов, получивший название обратный осмос или осмос наоборот .

Открытие обратного осмоса оказалось весьма перспективным во всех отношениях: расход энергии здесь определяется в основном работой на продавливание воды через мембрану из полимерных материалов, пришедших ныне на смену бычьему пузырю.

Расход энергии оказался во много меньше, чем в большинстве известных методов разделения, связанных с испарением, конденсаций, плавлением и т. п., что весьма важно в эпоху НТР.

Кроме того, аппарат обратного осмоса с колоссальной поверхностью мембран (десятки тысяч квадратных метров в 1 м 3объема) занимает всего лишь небольшую комнату, а способен перерабатывать, например, сточные воды крупного завода.

ЭТА ПРОБЛЕМА ВЕСЬМА АКТУАЛЬНА…

Известно, что старые очистные сооружения, используемые в ряде случаев еще и до настоящего времени, занимают территории в несколько гектаров, очищают сточные воды длительное время, из них возможна утечка, они отравляют окружающую атмосферу. Таким образом, только замена громоздких, экономически невыгодных существующих очистных сооружений на машины обратного осмоса — задача современного научно-технического прогресса, решение которой затрагивает весь комплекс вопросов НТР: от природоохранительных до социально-экономических.

КАКИЕ КРИТЕРИИ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫ ПРИ ВЫБОРЕ И СОЗДАНИИ МЕМБРАНЫ?

Перед создателями промышленных осмотических установок встали прежде всего такие проблемы: какие полимеры пригодны для использования их в качестве мембран, каковы должны быть размеры пор, их количество, т. е. какой должна быть поверхность мембран?

Первоначальное предположение о том, что мембрана работает, как сито, не подтвердилось. Оказалось, что поры должны быть много крупнее молекул воды, молекул и ионов растворенных в ней веществ. Ученые пришли к выводу о том, что внутри пор и на поверхности мембраны образуется слой воды, связанный физико-химическими силами с материалом мембраны.

В этом случае вода теряет свою растворяющую способность и становится как бы преградой на пути растворенных веществ.

Следовательно, дело не только в размерах пор, но и в материале для изготовления мембран, т. е. в выборе такого материала, к которому вода хорошо «прилипает» (например, гидрофильные полимеры хорошо набухают в воде).

С другой стороны, «толстые» мембраны (0,01 — 0,1 мм) обладают небольшой производительностью, а очень «тонкие» пленки (менее 0,01 мм) совершенно непрочны и неспособны, следовательно, выдержать давление 50—100 кПа (~50—100 атм).

Эту трудность все же удалось обойти, изготовив двухслойные ацетатцеллюлозные мембраны. Один слой у них «толстый», обеспечивающий механическую прочность мембраны (каркас мембраны), а другой — тонкий активный, с мельчайшими порами. Кроме того, необходимо добиваться, чтобы поры мембран, пропускающие, например, только воду, были одного размера.

При создании аппаратов обратного осмоса обязательным требованием к их конструкции должно быть осуществление большой скорости протекания раствора и отсутствие падения давления раствора у мембраны вследствие повышения концентрации задерживаемого вещества. Последнее как раз и достигается лучшим перемешиванием раствора с повышением скорости течения жидкости.

НАВЕРНОЕ, ИМЕЕТ ЗНАЧЕНИЕ И ТО, КАК УЛОЖЕНЫ МЕМБРАНЫ.

Наиболее проста плоскопараллельная укладка мембран (рис. 18). «Бутерброды» из пористой подложки и мембраны укладывают один на другой и стягивают болтами. Конструкция предусматривает быструю замену вышедшей из строя мембраны.

Рис. 18. Аппарат с плоскопараллельной укладкой мембран

Разделяемый раствор с достаточно высокой скоростью протекает в узком зазоре между «бутербродами». Дальнейшее усовершенствование аппаратов пошло по линии разработки новых систем мембран и их укладки, повышения плотности упаковки мембран (более 500 м 2на 1 м 3объема).

Наиболее перспективными и получившими применение считаются аппараты с мембранами в виде полых волокон толщиной с человеческий волос. Здесь поверхность мембран может составлять уже десятки тысяч квадратных метров в 1 м 3объема.

Кроме использования аппаратов обратного осмоса для очищения промышленных, в том числе и сельскохозяйственных, сточных вод следует отметить получение с их помощью пресной воды на кораблях дальнего плавания, регенерирование воды экипажами космических кораблей. Сгущенное молоко, фруктовые и овощные; соки еще вкуснее и полезнее, если их концентрирование производилось обратным осмосом, позволяющим сохранить все вещества, содержащиеся в натуральных продуктах.