Беседы о физике и технике

4. Осмос наоборот и мембранная технология

Осмос, осмотическое давление — эти слова, а также смысл, заложенный в них, известны многим. Однако что такое обратный осмос? И что же такое мембранная технология, о которой в последнее время так часто упоминается в периодической печати?

Осуществление комплекса мероприятий по совершенствованию технологии производства — одна из важнейших задач перестройки нашей экономики. Перестройка экономики включает в себя широкое внедрение в народное хозяйство принципиально новых технологий, позволяющих многократно повысить производительность труда, поднять эффективность использования ресурсов и снизить энерго- и материалоемкость производства.

К числу таких принципиально новых технологий, внедряемых в народное хозяйство, относится и мембранная технология.

О том, что такое мембранная технология, каковы ее физические основы, какие проблемы решают ученые и инженеры по широкому внедрению этой новой технологии в практику, и пойдет речь в этой беседе.

И ВСЕ ЖЕ СНАЧАЛА ИМЕЕТ СМЫСЛ СКАЗАТЬ, ЧТО ТАКОЕ ОСМОС.

Еще в 1748 г., перегородив воду и спирт пленкой из бычьего пузыря, аббат Нолле заметил, что вода проникает через эту перегородку и смешивается со спиртом.

Это явление в дальнейшем получило название осмоса, что в переводе с греческого означает толчок, давление. Осмос — диффузия вещества (обычно растворителя) через полупроницаемую перегородку, разделяющую раствор и чистый растворитель либо же два раствора различной концентрации.

Если мы погрузим в воду плотно закрытый целлофановый пакет с водным раствором высокомолекулярного вещества, например какого-либо белка, молекулы которого больше размеров пор в стенках пакета, то вода начнет диффундировать внутрь пакета и он начнет раздуваться.

При очень высокой концентрации белка стенки пакета могут даже разорваться. Если же внутри пакета находится раствор низкомолекулярной соли, то она диффундирует во внешний объем до выравнивания концентраций. Аналогичные опыты с различными полупроницаемыми пленками или перегородками можно воспроизвести не только в лабораторных, но и в домашних условиях с растворами солей или сахара.

Заметим, что пленки или перегородки получили названия мембран. Они в настоящее время широко используются в лабораторной и промышленной технике. Отсюда и появились мембранные техника и технология.

Многочисленные эксперименты, поставленные в разное время, свидетельствуют, во-первых, о том, что установление направленного потока растворителя в раствор приводит к возникновению осмотического давления. Во-вторых, значение этого давления зависит от природы растворенных веществ, их концентрации и температуры.

ЕСЛИ ЕСТЬ ДАВЛЕНИЕ, ЗНАЧИТ ЕГО МОЖНО И ИЗМЕРИТЬ?

Осмотическое давление измеряют осмометрами, т. е. специальными приборами, весьма разнообразными по конструкции.

Схема одного из них представлена на рис. 17.

Рис. 17. Схема осмометра

Здесь камера А, заполненная чистым растворителем, и камера Б, заполненная раствором, разделены полупроницаемой мембраной М. Уровень жидкости в камерах измеряется соединенными с ними трубками а и б.

Значение осмотического давления может быть определено как р = ρgh, где h — разность уровней в трубках а и б; ρ — плотность растворителя, g — ускорение силы тяжести в том месте Земли, где идет эксперимент. Следовательно, определение осмотического давления может быть осуществлено двумя методами: статическим (используя вышеприведенную формулу избыточного гидростатического давления по значению h) и динамическим.

Этот метод предусматривает подведение к трубке а такого внешнего давления, которое необходимо для поддержания одинаковых уровней в обеих трубках. Отсюда следует, что осмотическое давление может быть определено как такое внешнее давление, которое нужно приложить к раствору, чтобы процесс осмоса прекратился.

Теория показывает, что для достаточно разбавленных растворов осмотическое давление р может быть определено из закона, установленного голландским химиком Дж. Вант-Гоффом (1852–1911):

р = nkT, где n — концентрация молекул растворенного вещества; k — постоянная Больцмана; Т — термодинамическая температура.

Этот же закон может быть представлен и в другом виде:

р = CRT.

Здесь С — молекулярная концентрация раствора, R — универсальная газовая постоянная.

КАКОВА МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ОСМОСА И ОСМОТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ?

Как вы уже могли догадаться, она вытекает уже из самого определения осмоса как диффузии растворителя.

Действительно, если по обе стороны мембраны находятся отсеки с чистой жидкостью, то число молекул, проходящих в обе стороны, одинаково и между обеими порциями растворителя устанавливается статистическое равновесие. Если же в одном из отсеков находится раствор, то число молекул растворителя, попадающих за единичное время на мембрану со стороны раствора, окажется меньше, чем со стороны чистого растворителя. Равновесие в этом случае нарушится и молекулы растворителя начнут перекачиваться в отсек с раствором.

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 м³ объема) 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 м² на 1 м³ объема).

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 м³ объема.

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.

РАССКАЖИТЕ О ПРОМЫШЛЕННОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОДЫ.

Приведем схему такой установки (рис. 19). Она не требует особых пояснений, отметим лишь главное. Установка обратного осмоса позволяет очищать стоки (в отличие от методов отстойников) от любых загрязнений: органических и неорганических веществ, бактерий и вирусов. Очищенную воду очень высокого качества можно вновь использовать на производстве. Происходит, кроме того, концентрация стоков, а это облегчает извлечение растворенных в них ценных веществ, превращая любое производство в безотходное.

Многие проблемы еще предстоит решить. И решение каждой из них будет открывать новые заманчивые перспективы исследований и внедрения их результатов в производство. Важно то, что освоение обратного осмоса вышло за пределы лабораторий и осмос все шире работает на людей, являясь реальным результатом научно-технического прогресса.

Рис. 19. Схема промышленной установки регенерации воды