Обратный осмос

 

Если раствор какого-либо вещества и чистый растворитель разделить мембраной, непроницаемой для растворенного вещества, но проницаемой для растворителя, то растворитель будет диффундировать через мембрану в раствор до тех пор, пока химические потенциалы растворенного вещества в двух фазах не уравновесятся. Это явление называют осмосом. Если к раствору приложить избыточное давление Δp, то, когда приложенное давление Δp уравновесит осмотическое давление раствора π, осмос прекратится; осмотическое давление раствора π равно:

(11.24)

Здесь B₂, B₃—вириальные коэффициенты растворенных веществ.

Таким образом, при низких концентрациях растворенных веществ н нулевом потоке растворителя через мембрану Δp=π≈cRT. Если Δp больше π, то растворитель переносится против градиента концентрации из разбавленного раствора в чистый растворитель. Такое явление, приводящее к повышению концентрации растворенного вещества, называют обратным осмосом.

В реальной ситуации мембраны не обладают абсолютной селективностью по отношению к размерам молекул, поэтому при анализе осмоса удобнее рассматривать совместно как пассивную проницаемость растворенного вещества P, так и характеризующий перенос через мембрану коэффициент отражения σ для каждого растворенного вещества.

 

Таблица 11.7. Основные характеристики трех типов мембран^а

Последний параметр представляет собой долю молекул растворенного вещества, не проникающих через мембрану; так, для случая полного отражения σ=1,0, а если растворенное вещество вообще не задерживается мембраной, то σ==0. Коэффициенты отражения характеризуют мембрану; кажущийся диаметр пор мембраны может служить мерой селективности осмоса (табл. 11.7).

Если к раствору приложено давление, то скорости переноса растворителя против градиента концентрации н растворенного вещества описываются уравнениями (11.25) и (11.26) соответственно:

(11.25)

(11.26)

где L_p и P — проницаемость мембраны для растворителя и растворенного вещества соответственно, Δc₂ — разность концентраций растворенного вещества по разные стороны мембраны, а c₂ — средняя концентрация растворенного вещества в растворе. Соответствующая концентрация растворенного вещества в жидкости, проходящей через мембрану, равна

Если σ приблизительно равно 1,0, P мало и (или) N₁ велико, то эта величина будет значительно меньше N₂.

Жидкости практически несжимаемы, поэтому само по себе приложение даже большого избыточного давления не связано с большим расходом энергии. Однако повышение скорости переноса растворителя против градиента концентрации через мембрану приводит к образованию вблизи границы раздела фаз зоны с повышенной концентрацией растворенного вещества (рис. 11.27), что в свою очередь обусловливает повышение скорости переноса растворенного вещества через мембрану [уравнение (11.26)], а также снижение скорости переноса растворителя против градиента концентрации в силу локального повышения осмотического давления [уравнение (11.25)].