Все о тюнинге авто

Что такое обратный осмос и как он применяется. Сущность процесса осмоса и его роль в биологических системах Осмотическая функция

Требования к характеристикам питьевой воды за последние десятилетия значительно повысились. Это не значит, что люди стали потреблять более качественную жидкость, однако технологии фильтрации и очистки воды действительно стали эффективнее. При этом не всегда подобные устройства работают на принципиально новых технологиях - зачастую разработчики базируют системы очистки на принципах, которые окружают нас в природе. К таким явлениям относится и осмос. Что это такое и какую пользу он может принести обычному человеку? Это технологический процесс, который позволяет обеспечить в естественных условиях. Существуют разные подходы к технической реализации осмоса, но цели его остаются одинаковыми - получение чистой и безопасной для употребления воды.

Принцип осмоса

Данный процесс может иметь место в системах, где подвижность растворенных элементов меньше уровня активности растворителя. Обычно специалисты более наглядно демонстрируют это явление с помощью полупроницаемой мембраны. При этом важно учитывать, что такие мембраны можно называть полунепроницаемыми лишь для некоторых частиц. Теперь можно более точно ответить на следующий вопрос: осмос - что это такое? В сущности, это процесс отделения некоторых веществ от среды, в которой они находились до разделения посредством мембраны. Например, если подобную мембрану использовать для разделения чистого растворителя и раствора, то концентрация первого в среде будет менее высокой, так как определенная доля его молекул замещается частицами растворенных веществ.

В чем особенность обратного осмоса?

Процесс обратного осмоса является усовершенствованной технологией фильтрации различных сред. Опять же, стоит вернуться к принципу, на основе которого действует осмос - что это такое в завершенном виде? Это, к примеру, морская вода, которая прошла очистку от соли. Таким же образом можно выполнить фильтрацию от других загрязнений. Для этого и применяется обратный осмос, в котором на среду действует давление и заставляет вещество проходить через очищающую мембрану.

Несмотря на высокую эффективность такой очистки, существенных успехов в технологическом развитии данной концепции производители смогли добиться лишь в последние десятилетия. Современная очистка предполагает использование тончайших мембран, которые не пропускают даже частицы в виде низкомолекулярных примесей - к слову, их размер может составлять до 0,001 микрона.

Техническое воплощение

Несмотря на кажущуюся сложность, обратный осмос реализуется в довольно компактных устройствах. Основу таких систем формируют фильтры, которых может быть несколько. В традиционной конструкции начинается очистка с предфильтров. Затем следует комбинированный постфильтр, который может выполнять и дополнительные функции кондиционера или минерализатора. Наиболее продвинутые модели предусматривают включение высокоселективных мембран - это самая эффективная и дорогостоящая система. Осмос в таком исполнении обеспечивает не только многоступенчатую очистку, но и смягчает воду. Фильтры также снабжаются картриджами, специальными керамическими кранами, накопительными баками с возможностью замены резервуара и крышкой.

В процессе прохождения через такой очищается от растворенных и механических примесей, хлора и его соединений, гербицидов, алюминия, нефтепродуктов, пестицидов, элементов удобрений, фенолов, тяжелых металлов, а также от вирусов и бактерий. Эффект такой очистки можно заметить и без специального анализа. Обычная водопроводная вода, к примеру, избавляется от запаха и неприятных вкусовых оттенков. Более того, упомянутая функция минерализации обеспечивает составу обогащение природными минералами, среди которых - полезные ионы.

Производители и цены фильтров

Пожалуй, в России нет более известных фильтров для воды, чем продукция «Аквафор». Компания выпускает сверхкомпактные автоматические системы, реализующие высококачественную очистку с обогащением полезными элементами. Особенностью предложения «Аквафор» является эффективность и практичность систем, которые обеспечивают быстрый осмос. Цена таких устройств составляет 8-9 тыс. руб. Также пользуются успехом продукция марки «Гейзер» - в частности, серия «Престиж». Такие фильтры совмещают качественную очистку и удобство эксплуатации. Кстати, ресурс обратноосмотической мембраны такой системы в 10 раз превышает срок эксплуатации стандартных картриджей. Полный набор такого фильтрационного комплекса стоит около 10 тыс. руб. Востребованы на отечественном рынке и зарубежные системы с обратным осмосом, среди которых отмечается японская продукция Toray. Разработчики предлагают прямоточные устройства, которые не требуют наличия бака и снабжены отдельным краном.

Обратный осмос заключается в фильтровании растворов под давлением, превышающем осмотическое, через полупроницаемые мембраны, пропускающие молекулы воды, но задерживающие молекулы или ионы растворенных низкомолекулярных веществ.

Отчего обратный осмос получил такое название?

Если отделить воду от водного раствора полупроницаемой мембраной, то вода будет самопроизвольно переходить в сторону раствора. Это обычный, или, как стали говорить в последние годы, прямой осмос.

Если приложить к раствору давление, равное осмотическому, то наступает равновесие: сколько воды переходит слева направо, столько же и справа налево.

Если давление, прилагаемое к раствору, больше осмотического, то будет происходить течение воды из раствора в сторону чистой воды, т.е. в направлении, обратном направлению течения воды в прямом осмосе.

Из такой упрощенной схемы следует, что движущей силой обратного осмоса является разница между приложенным гидростатическим давлением и осмотическим давлением раствора. При практическом проведении обратного осмоса мы сталкиваемся с тем, что почти никогда мембраны не обладают идеальной полупроницаемостью, т.е. не полностью задерживают молекулы и ионы растворенных веществ. К тому же, со стороны раствора возникает явление концентрационной поляризации, из-за которой концентрация растворенных веществ у поверхности мембраны больше, чем в объеме раствора. Наконец, давление со стороны воды может быть больше атмосферного из-за гидравлического сопротивления дренажного канала. Поэтому более строгая запись выражения для движущей силы обратного осмоса Δp имеет следующий вид:

, (1)

Здесь p – разность гидростатического давления над раствором и пермеатом, π 3 – осмотическое давление разделяемого раствора у поверхности мембраны, π 2 – осмотическое давление пермеата, т.е. воды (с некоторой примесью растворенных веществ), перешедшей через мембрану.

Величину p обычно называют рабочим давлением.

Для расчета движущей силы необходимо уметь определять осмотическое давление.

Первое аналитическое выражение для расчета осмотического давления было предложено Вант-Гоффом:

, Па (2)

Здесь c – концентрация растворенного вещества, кмоль/м 3 раствора (численно равная концентрации в размерности моль/литр раствора), R – универсальная газовая постоянная (R = 8314 Дж/кмоль·К), T – абсолютная температура, К.

Вант-Гофф получил это уравнение, исследуя осмотическое давление растворов сахара. Позднее было установлено, что в такой форме уравнение применимо к ограниченному числу недиссоциирующих растворенных веществ.

Электролиты, как известно, в той или иной степени диссоциируют, и для расчета их осмотических давлений в настоящее время используют следующие уравнения.


Для слабых электролитов:

, Па (3)

,

α – степень диссоциации растворенного вещества, ν – число ионов, образующихся при диссоциации одной молекулы.

π = νФ cRT , Па (4)

где Ф – практический осмотический коэффициент.

В разбавленных растворах Ф очень близок к единице и осмотическое давление пропорционально концентрации. С увеличением концентрации Ф может меняться произвольным образом (увеличиваться, снижаться, проходить через экстремумы) и быть как больше, так и меньше единицы.

Несмотря на сравнительно высокие рабочие давления, обратный осмос оказывается энергетически выгоднее большинства других массообменных процессов и даже многокорпусного выпаривания.

Работу, необходимую для продавливания воды через мембрану, А, можно представить как произведение рабочего давления на объем прошедшей через мембрану воды V. Вот, какова будет работа на продавливание 1м 3 воды при сравнительно высоком рабочем давлении 5 МПа:

(Дж)

Сравнительно малые затраты энергии в обратном осмосе объясняются тем, что разделение осуществляется без фазовых превращений и почти всегда при температуре окружающей среды. Последнее обстоятельство помимо экономии энергии на подогрев раствора обеспечивает еще одно важное достоинство – возможность разделения нетермостойких растворов.

Следует отметить и простоту конструкции установок обратного осмоса, которые включают только два основных элемента – мембранный аппарат и насос. Простейшая установка обратного осмоса имеет следующий вид:

Исходный раствор подается насосом в напорный канал мембранного аппарата, где разделяется на два потока – прошедший через мембрану (пермеат, или фильтрат) и задержанный мембраной (ретант, или концентрат). Необходимое рабочее давление в системе поддерживается с помощью вентиля на линии концентрата и контролируется по манометру.

42. Осмос и осмотическое давление.

Осмос – самопроизвольный переход вещества (обычно растворителя), через полупроницаемую мембрану, отделяющую раствор от чистого растворителя, или от раствора меньшей концентрации.


Суть процесса:

Осмос обусловлен стремлением системы к термодинамическому равновесию и выравниванию концентраций растворов по обе стороны мембраны путем односторонней диффузии молекул растворителя.

Важным частным случаем осмоса является осмос через полупроницаемую мембрану. Полупроницаемыми называют мембраны, которые имеют достаточно высокую проницаемость не для всех, а лишь для некоторых веществ, в частности, для растворителя. (Подвижность растворённых веществ в мембране стремится к нулю). Если такая мембрана разделяет раствор и чистый растворитель, то концентрация растворителя в растворе оказывается менее высокой, поскольку там часть его молекул замещена на молекулы растворенного вещества (см. Рис. 1). Вследствие этого, переходы частиц растворителя из отдела, содержащего чистый растворитель, в раствор будут происходить чаще, чем в противоположном направлении. Соответственно, объём раствора будет увеличиваться (а концентрация уменьшаться), тогда как объём растворителя будет соответственно уменьшаться.

Осмос, направленный внутрь ограниченного объёма жидкости, называется эндосмосом, наружу - экзосмосом. Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением. Оно равно избыточному внешнему давлению, которое следует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить процесс, то есть создать условия осмотического равновесия. Превышение избыточного давления над осмотическим может привести к обращению осмоса - обратной диффузии растворителя.

В случаях, когда мембрана проницаема не только для растворителя, но и для некоторых растворённых веществ, перенос последних из раствора в растворитель позволяет осуществить диализ, применяемый как способ очистки полимеров и коллоидных систем от низкомолекулярных примесей, например электролитов.

Осмотическое давление π – внутреннее давление растворенного вещества, численно равное тому внешнему давлению, которое нужно приложить, чтобы прекратить осмос; оно зависит от температуры и концентрации.

Эту зависимость Вант-Гофф уподобил поведению идеального газа:

Так как объем одного моля газообразного вещества при нормальных условиях равен 22,4 литра, то осмотическое давление раствора, содержащего 1 моль вещества, равно 22,4 атм.

Измерение осмотического давления раствора используется для определения молекулярных масс даже разбавленных растворов, что позволяет оценивать молекулярные массы растворимых высокомолекулярных соединений, в частности, биополимеров. Заменив C(B) в формуле Вант-Гоффа соотношением (m(B) ∙ 1000 / μ(B) ∙ V), получим уравнение, позволяющее вычислять молекулярные массы растворенных веществ:

!!! Интересно!!!

Осмометр – прибор для измерения осмотического давления или концентрации осмотически активных веществ; применяется при биофизических и биохимических исследованиях.

43. Первопорация: общие сведения о процессе, схемы процесса, транспорт в мембране, характеристики.

Первопорация - процесс переноса вещества через непористые полимерные материалы (мембраны). Непористыми называются селективные мембраны, не имеющие сквозных пор (то есть постоянных во времени полостей между надмолекулярными структурами полимера) для их заполнения потоком проникающего вещества.

Внешняя целостность полимера первапорационной мембраны – воображаемая. В действительности он пронизан большим количеством поверхностей разрыва, которые при отсутствии внешних воздействий в результате тепловых флуктуаций спонтанно образуются, растут, исчезают и перемещаются, схлопываясь в одном месте и возникая в другом. Такие поверхности разрыва образуют совокупность микрополостей («дырок») – межмолекулярных промежутков, не имеющих определенных форм и размеров. В соответствии с теорией Френкеля – Эйринга , процесс диффузии в полимерных мембранах представляет собой перемещение молекул сорбата из одного равновесного состояния в другое.

Процесс переноса вещества в первапорационной мембране можно качественно представить в виде движения молекул в неупорядоченной массе полимерных цепей и «дырок» и рассматривать в виде последовательности: сорбции вещества поверхностью мембраны, рассматриваемой как суммарный процесс, обусловленный несколькими видами взаимодействия, каждый из которых может быть определяющим на различных стадиях сорбции в зависимости от химической природы компонентов и условий эксперимента; диффузии вещества через мембрану, рассматриваемой или как неактивированный процесс, при котором возникновение «дырки» вблизи диффундирующей молекулы не связано с энергетическими затратами, или как активированный, обусловленный случайным увеличением кинетической энергии диффундирующей молекулы; десорбции вещества на противоположной стороне мембраны.

Схема первапорационного разделения жидкой смеси:

Схема процесса первапорации показана на рисунке. Исходная разделяемая система приводится в контакт с непористой мембраной. Благодаря разделительным свойствам мембраны, различные компоненты системы с различной скоростью будут сорбироваться поверхностью мембраны, диффундировать в ней и десорбироваться на ее противоположной стороне. Вследствие этого поток, который прошел через мембрану, обогащается компонентами разделяемой системы. Можно подобрать мембрану таким образом, что в потоке, выходящем из мембранного аппарата, практически не будет отдельных компонентов смеси.

В сложном процессе - первапорация - происходит тепло- и массоперенос. Мембрана действует как барьер между двумя фазами - жидкостью и паром, причем считается, что фазовый переход происходит на всем протяжении от входа в мембрану до образования пермеата. Это подразумевает, что необходимо подводить тепло, по крайней мере достаточное для испарения. Из-за сосуществования жидкости и пара первапорацию часто относят к своеобразному экстрактивно-дистилляционному процессу, в котором мембрана выполняет роль третьего компонента. В то же время в основе принципа разделения с помощью дистилляции лежит равновесие пар - жидкость, тогда как разделение при первапорации основано на различиях коэффициентов растворимости и диффузии. Равновесие пар - жидкость непосредственно влияет на движущую силу процесса, а вследствие этого и на характеристики разделения.

Типы первапорации:

1) гидрофильная первапорация
2)органофильная первапорация (подразделяется на гидрофобную и органоселективную)

Гидрофильная первапорация
используется для решения таких задач, как дегидратация органических растворителей (например: изопропилового спирта, пиридина, уксусной кислоты) и выделение воды из различных водоорганических, в том числе азеотропных, смесей (например: из смеси с этанолом).
Применяется гидрофобная первапорация для очистки различных сточных вод, удаления легколетучих органических компонентов из грунтовой и питьевой воды, регенерации органических компонентов в пищевой промышленности, разделения продуктов ферментации в биотехнологии.
Органоселективная первапорация
перспективна для разделения смесей органических компонентов.
В соответствии с этими задачами разделения гидрофильная и органоселективная первапорация могут быть альтернативой таким процессам, как дистилляция, ректификация, азеотропная и экстрактивная ректификация, экстракция и адсорбция.
Для поддержания движущей силы процесса первапорации на высоком уровне необходимо обеспечить благоприятные условия для удаления пермеата от поверхности мембраны, обращенной к дренажу и предотвратить конденсацию его паров на этой поверхности. Существует несколько способов поддерживания движущей силы для обеспечения стационарного разделения, при этом обычно процесс первапорации проводят тремя различными способами:
(А) вакуумная первапорация;
(Б) термопервапорация;
(В) первапорация с газом-носителем (в поток газа-носителя)

При вакуумной первапорации движущая сила поддерживается вакуумированием подмембранного пространства. При этом остаточное давление в дренаже должно быть существенно ниже давления насыщенных паров компонентов при температуре разделения, чтобы они оставались в парообразном состоянии. Использование откачивания предполагается только для компенсации возможных натеканий воздуха в систему. Наличие неконедсирующихся газов (например, воздуха) в дренажном канале существенно влияет на характеристики первапорационного разделения. Присутствие воздуха резко снижает интенсивность конденсации паров пермеата, так как при этом скорость конденсации определяется скоростью диффузии паров к поверхности конденсации через слой воздуха, образующийся у этой поверхности. Благодаря простоте реализации и минимальной потребности в оборудовании, в промышленности обычно используется именно вакуумная первапорация.

Схема процесса вакуумной первапорации:


В случае термопервапорации разность парциальных давлений поддерживается созданием градиента температуры через мембрану (при этом температура разделяемой смеси значительно превышает температуру пермеата). В некоторых системах устройства нагрева разделяемой смеси и охлаждения пермеата располагают параллельно мембране, и таким образом происходит непрерывный нагрев разделяемой смеси и конденсация паров пермеата на охлаждаемой поверхности, расположенной на некотором расстоянии от мембраны.

Схема процесса термопервапорации:

При первапорации с газом-носителем перепад парциального давления поддерживается за счет удаления пермеата от поверхности мембраны, обращенной к дренажу при помощи потока инертного газа-носителя. Так как этот газ может быть нагрет, появляется возможность подвода тепла для испарения пермеата. Этот способ реализации первапорации требует наибольшего количества оборудования, и поэтому пока ограниченно используется даже в лабораторных исследованиях.
При промышленной реализации первапорации с газом-носителем возможно организовать замкнутый цикл циркуляции по газу, однако при этом становятся существенными проблемы с выбором достаточно эффективной конструкции конденсатора, в котором должна происходить конденсация паров пермеата в избытке газа-носителя. В качестве носителя, удаляющего пермеат с поверхности мембраны, может также использоваться жидкость, при этом процесс называют осмотической дистилляцией, однако, при его осуществлении велики теплопотери за счет интенсивного теплообмена между разделяемой жидкостью и потоком жидкого носителя, а также возникает необходимость последующего выделения различными способами пермеата из этой жидкости .

Схема процесса первапорации с газом-носителем:

Однако, если селективность мембраны высока, то более выгодна схема без конденсатора (рис. 2.4). При этом поток пермеата сбрасывается в атмосферу. Данная схема пригодна только в случае нетоксичности пермеата.

Альтернативой первапорации с газом-носителем является первапорация с паром носителем (в качестве пара-носителя могут выступать вода или же несмешивающиеся с водой жидкости):

2.5. Схема первапорации с паром-носителем:
1 – подогреватель; 2 – мембранный аппарат; 3 – конденсатор; 4 – сепаратор (отстойник);
5 – подогреватель-кипятильник.


Основные характеристики процесса:

Основными характеристиками первапорации являются:
1) проницаемость
2) селективность

Проницаемостью называется свойство мембраны пропускать вещество. Чтобы оценить этот процесс, вводятся понятия потока и константы проницаемости.
Поток вещества через мембрану – это масса вещества, которая переносится при первапорации за единицу времени через поверхность мембраны единичной площади, ориентированную нормально к направлению потока.

Селективность – это свойство мембраны иметь различную проницаемость для компонентов разделяемой смеси. Количественно селективность оценивается фактором и коэффициентом разделения, которые характеризуют изменение соотношения компонентов смеси в результате первапорации.

44. Газоразделение: общие сведения о процессе, схемы процесса, транспорт в мембране, характеристики.

Мембранное разделение газовых смесей основано на использовании селективно-проницаемых мембран. Наименьшей ячейкой мембранного массообменного устройства является мембранный элемент. Обычно мембрана представляет собой жесткую перегородку, разделяющую мембранный элемент на две рабочие зоны. В этих зонах, напорном и дренажном каналах, поддерживаются различные давления и составы смеси. Из напорного канала через селективно-проницаемую мембрану проникают все компоненты смеси, но с различной скоростью.

Схема процесса газоразделения:



В результате того, что различные компоненты проникают через мембрану с различной скоростью, смесь, поступающая в напорный канал, обогащается труднопроникающими компонентами и удаляется из него. Из дренажного канала отводится смесь, обогащенная компонентами, проникающими через мембрану с большей скоростью. Мембраны для газоразделения могут иметь однородную структуру, но чаще используются асимметричные и композиционные мембраны. Такие мембраны имеют тонкий селективный слой и пористую подложку, причем основное сопротивление массопереносу сосредоточено в селективном слое мембраны.

Обычно предполагают, что плотность потока i-го компонента смеси через мембрану линейно зависит от разности парциальных давлений этого компонента над и под мембраной:

Здесь и – парциальные давления компонента вблизи поверхности мембраны в напорном и дренажном каналах соответственно; d – толщина селективного слоя мембраны; L i – коэффициент проницаемости, численно равный плотности потока компонента при значении градиента парциального давления, равном единице. Предполагается, что сопротивлением массопереносу в пористой подложке можно пренебречь.

Разделительную способность мембраны принято характеризовать при помощи фактора разделения мембраны:

Отношение проницаемостей и чистых газов называется идеальным фактором разделения .

Все мембраны подразделяются на две группы:
1) с пористой матрицей
2) сплошной матрицей.

Мембранные системы с пористыми мембранами могут быть газодиффузионными и сорбционно-диффузионными , с непористыми мембранами – сорбционно-диффузионными и реакционно-диффузионными .
Системы первого типа характеризуются тем, что взаимодействие молекул газа с мембраной заключается только в соударениях молекул с поверхностью пор. Заметной адсорбции газов на поверхности пор, а тем более капиллярной конденсации не наблюдается. Влияние свойств матрицы мембраны на перенос газов через нее определяется только структурой пор мембраны.
Системы второго типа характеризуются существенным влиянием поверхностных явлений, в первую очередь адсорбции, на перенос газов через мембрану.

Проникновение газов через непористые сорбционно-диффузионные полимерные мембраны представляет собой сложный процесс, который можно разбить на несколько стадий:

1) адсорбцию газа на поверхности мембраны
2) растворение газа в полимере;
3) диффузию газа через мембрану;
4) выделение газа из раствора на противоположной стороне мембраны;
5) десорбцию газа с этой поверхности.

Первую и вторую стадии, а также четвертую и пятую, не всегда можно отчетливо различить. В непористых реакционно-диффузионных мембранах протекают химические реакции между компонентами разделяемой газовой смеси и материалом мембраны. В результате происходит образование новых веществ, участвующих в переносе целевого компонента.

Пористые мембраны существуют как неорганические, так и полимерные. Матрицы пористых мембран, применяемых для мембранного разделения газов, имеют средние радиусы пор в пределах от ~1,5 нм до 200 нм. На процессы переноса компонентов газа в таких мембранах, оказывают влияние структурные характеристики пористой среды. К их числу относится пористость.

Пористость - это объемная доля пор, суммарная поверхность всех пор в единице объема пористого тела, средний диаметр пор. Большое значение имеет также распределение пор по размерам и степень извилистости каналов. Если мембрана имеет крупные поры, то разделение происходит преимущественно за счет различия молекулярных масс разделяемых компонентов. Коэффициент разделения α, определяемый как отношение потоков двух компонентов J 1 и J 2 , является степенной функцией отношения их молекулярных масс М 1 и М 2

Такой механизм реализуется в случае, если длина свободного пробега молекул газов значительно больше диаметра пор. В мембранах меньшего размера пор действуют также и другие механизмы разделения, в том числе важную роль приобретает взаимодействие компонентов со стенками пор в мембране (ситовый эффект, адсорбция).

Единственным механизмом переноса через непористую мембрану является диффузия растворенного вещества в мембране. Молекулы газа, попадая на поверхность мембраны, сорбируются этой поверхностью и растворяются.

45. Диализ: общие сведения о процессе, схемы процесса, транспорт в мембране, характеристики.

Диализ представляет собой мембранный процесс, с помощью которого различные растворенные вещества, имеющие разные молекулярные массы, могут быть разделены за счет диффузии через полупроницаемую мембрану.

Принципиальная схема процесса диализа:

На рисунке представлена схема мембранного модуля, работающего в режиме противотока.
С одной стороны от мембраны движется исходный раствор, из которого удаляются некоторые компоненты. Раствор, в который переносятся некоторые компоненты исходного раствора, называется диализатом. Движущей силой процесса диализа является градиент концентрации. При наличии градиента концентрации растворенное вещество диффундирует из исходного раствора через мембрану в диализат. Разделение растворенных веществ достигается за счет того, что скорости их переноса через мембрану различаются.

Так как процесс диализа протекает под действием градиента концентрации, для получения больших потоков вещества через мембрану необходимо, чтобы толщина мембраны была мала, а разность концентраций переносимого через мембрану компонента по разные стороны от мембраны – наоборот, велика.

При проведении процесса диализа используют непористые мембраны. Для того чтобы скорость диффузии вещества в мембране была достаточно велика, необходимо использовать мембраны, которые могут сильно набухать.
!!!Известно, что в результате набухания мембраны коэффициент диффузии низкомолекулярного вещества в мембране может увеличиться на несколько порядков величины. Селективность разделения достигается в основном за счет различия молекулярных масс компонентов раствора.

Коэффициенты диффузии веществ уменьшаются при увеличении молекулярной массы. Поэтому процесс диализа может использоваться для отделения веществ от коллоидов с малой молекулярной массой.

Поток растворенного вещества через мембрану в процессе диализа описывается при помощи уравнения:

,

(где D – коэффициент диффузии; K – коэффициент распределения, т. е. отношение концентраций вещества в мембране и в жидкости; d – толщина мембраны; c 1 и c 2 – концентрации вещества по разные стороны от мембраны)
В противоположную сторону будет переноситься растворитель, поток которого будет пропорционален разности осмотических давлений по разные стороны от мембраны.

Диализ используют главным образом для разделения компонентов с различными молекулярными массами. Обычно процесс диализа применяется для водных растворов. В этом случае используют гидрофильные полимерные мембраны. Материалы, из которых изготавливают такие мембраны, представляют собой продукты переработки целлюлозы, поливиниловый спирт, полиакриловую кислоту, поликарбонаты, и т.д.

!!! Просто интересно!!!
Наиболее важным применением процесса диализа является гемодиализ. В этом случае мембраны используются для удаления из крови людей, страдающих почечной недостаточностью, токсических низкомолекулярных веществ: мочевины, креатина, фосфатов и мочевой кислоты.

Неожиданно!!!

Процесс диализа применяется также для удаления спирта из пива.

Огромную роль в поглощении и выделении веществ растительной клеткой играют явления диффузии. Диффузия - это направленное передвижение частичек вещества в сторону меньшей его концентрации. - диффузия молекул растворителя в раствор через полупроницаемую перепонку, отделяющую раствор от чистого растворителя или от раствора с меньшей концентрацией. Скорость диффузии обратно пропорциональна размерам и массе молекул; так, сахароза диффундирует медленнее , имеющей меньшую молекулу. Коллоидные растворы (белок и др.) имеют слабую диффундирующую способность.

Осмометр Дютроше

Явление осмоса можно наблюдать в осмометре. Осмометр Дютроше состоит из стеклянной трубки, на расширенный конец которой натянут животный пузырь или пергамент. В трубку наливают концентрированный раствор сахара и погружают ее в воду или слабый раствор того же сахара. Вода будет поступать в трубку через пузырь, так как концентрация ее там меньше; в результате объем раствора в осмометре увеличится, и раствор поднимется по трубке. Осмометр Дютроше. Для того чтобы задержать проникновение воды в осмометр, надо приложить к раствору давление, которое уравновесит давление диффузии воды. Чем больше концентрация раствора в осмометре, тем выше будет подниматься столб жидкости в трубке и тем большее давление надо приложить, чтобы остановить поступление воды в осмометр. Высота раствора в трубке служит, таким образом, показателем концентрации раствора, вызывающего осмотическое давление.

Осмотическое давление

Осмотическое давление - своеобразное явление. Оно возникает только в том случае, если раствор отделен от растворителя (или раствора меньшей концентрации) полупроницаемой перепонкой. Если же раствор находится, например, в стеклянном сосуде, то никаких признаков осмотического давления стенки сосуда не испытывают. Величина осмотического давления пропорциональна количеству частиц растворенного вещества (молекул и ионов) и температуре. Чем выше концентрация раствора, тем больше будет его осмотическое давление, ибо число молекул растворенного вещества будет больше. При одной и той же молярной концентрации растворов неэлектролита и электролита осмотическое давление второго раствора будет выше, так как часть его молекул диссоциируют на ионы и суммарное число частиц в нем будет больше. Если раствор отделен полупроницаемой перепонкой от чистой воды, то вода проникает в раствор со всей возможной скоростью, зависящей от концентрации раствора и других уже упомянутых условий. Наибольшую возможную для данного раствора величину осмотического давления называют осмотическим потенциалом . Величину осмотического потенциала и осмотического давления выражают в атмосферах.

Растительная клетка - осмотическая система

Растительная клетка представляет собой осмотическую систему ; протоплазма играет роль полупроницаемой перепонки, так как она пропускает воду и задерживает растворенные в воде вещества, а клеточный сок - осмотически деятельного раствора. Его концентрацией обусловливается величина осмотического потенциала. В полупроницаемости протоплазмы можно убедиться при помощи плазмолиза. Плазмолиз - это отставание протоплазмы от оболочки в результате диффундирования воды из вакуоли в более концентрированный наружный раствор. Плазмолиз получают, помещая растительную клетку в безвредный для нее раствор, концентрация которого больше концентрации клеточного сока. Наружный раствор отсасывает воду из клеточного сока через полупроницаемую протоплазму, объем его уменьшается, протоплазма следует за клеточным соком и отстает от клеточной оболочки, проницаемой как для воды, так и для растворенных веществ.

Тургорное давление

При помещении растительной клетки в воду последняя проходит через клеточную оболочку, плазмалемму и тонопласт и попадает в вакуолю. Объем клеточного сока увеличивается, протоплазма отодвигается к оболочке, оказывая на нее давление. Чем больше воды поступит в клеточный сок, тем больше будет его объем и тем сильнее давление клеточного сока на протоплазму, а через нее и на оболочку. Давление протоплазмы на оболочку клетки называется тургорным давлением .

Тургорное натяжение

Под влиянием внутреннего давления клеточная оболочка переходит в напряженное состояние, которое называется тургором , или тургорным натяжением . Тургорное натяжение равно тургорному давлению, но направлены они в разные стороны: тургорное натяжение к центру клетки, тургорное давление к периферии.

Содержание статьи

ОСМОС, перенос вещества из одного раствора в другой через мембрану. Мембраны, проницаемые не для всех, а лишь для определенных веществ, называют полупроницаемыми. Например, к яичной скорлупе с внутренней стороны прилегает полупроницаемая мембрана: она пропускает молекулы воды и задерживает молекулы сахара. Если такой мембраной разделить растворы сахара с концентрацией 5 и 10% соответственно, то через нее в обоих направлениях будут проходить только молекулы воды. Поскольку вода будет перетекать из разбавленного раствора в концентрированный быстрее, чем в обратном направлении, в целом движение воды между двумя растворами будет идти в одну сторону. В результате в более разбавленном растворе концентрация сахара повысится, а в более концентрированном, наоборот, понизится. Когда концентрация сахара в обоих растворах станет одинаковой, наступит равновесие. Растворы, достигшие равновесия, называются изотоническими.

Осмос играет важную роль во многих биологических процессах. Мембрана, окружающая нормальную клетку крови, проницаема лишь для молекул воды, кислорода , растворенных в крови питательных веществ и продуктов клеточной жизнедеятельности; для больших белковых молекул, находящихся в растворенном состоянии внутри клетки, она непроницаема. Поэтому белки, столь важные для биологических процессов, остаются внутри клетки.

Как механизм осмоса, так и факторы, определяющие проницаемость мембран, еще не до конца изучены. Полупроницаема ли данная мембрана и если да, то для каких веществ, можно узнать только опытным путем.

Осмотическое давление.

Когда два раствора с разной концентрацией растворенных веществ разделены полупроницаемой мембраной, на нее действует сила, направленная от более разбавленного к более концентрированному раствору. Эта сила, называемая осмотическим давлением, может быть очень значительной. В дереве, например, под действием осмотического давления растительный сок поднимается от корней до самой верхушки. Но в дереве движение концентрированного раствора, каким является растительный сок, ничем не ограничено. Если же подобный раствор находится в замкнутом пространстве, например в клетке крови, то осмотическое давление может привести к разрыву клеточной стенки. Именно по этой причине лекарства, предназначенные для введения в кровь, растворяют в изотоническом растворе, содержащем столько хлорида натрия (столовой соли), сколько нужно, чтобы уравновесить осмотическое давление, создаваемое клеточной жидкостью. Если бы вливаемые лекарственные препараты были изготовлены на воде, осмотическое давление, заставляя воду проникать в клетки крови, приводило бы к их разрыву. Если же ввести в кровь слишком концентрированный раствор хлорида натрия, то вода из клеток будет выходить наружу, и они сожмутся.

Величина осмотического давления, создаваемая раствором, зависит от количества, а не от химической природы растворенных в нем веществ (или ионов, если молекулы вещества диссоциируют). Чем больше концентрация раствора, тем больше создаваемое им осмотическое давление. Это правило, носящее название закона осмотического давления, выражается простой формулой, очень похожей на закон идеального газа. Закон осмотического давления можно использовать для расчета молекулярной массы данного вещества.

в частности. Поэтому, к организму человека применимы и все законы природы, в том числе и осмоса. Процессы осмоса в наше время хорошо изучены, установлены их химические и физические закономерности, в том числе и в живом организме. Осмос в живых организмах неразрывно связан с внешней оболочкой клетки - плазматической мембраной. Плазматическая мембрана - это поверхностная структура, окружающая цитоплазму растительных и животных клеток, которая служит не только механическим барьером, а главное блокирует поток в клетку различных веществ (свободного двустороннего проникновения в клетку) и выступает как структура, «определяющая» наличие различных химических веществ и регулирующая выборочный доступ веществ в клетку. Внутренняя часть липидного слоя мембраны гидрофобная, этот слой представляет собой изолирующий слой для полярных молекул. Наличием этого барьера предотвращается потеря содержимого клеток, по этой причине создаются условия продвижения растворимых в воде веществ через мембрану.
является полупроницаемой. Вода и растворенные в ней газы обладают максимальной проникающей способностью. Перемещение ионов проходит пассивно без затрат энергии, и активно за счёт связывания специальными мембранными белками-переносчиками и переноса через мембрану. Биологические жидкости - это многокомпонентные растворы с осмотическим давлением растворенных частиц пропорционально общей концентрации.
Помимо процесса переноса частиц под действием градиентов химического и электрического потенциала, темпера-туры, давления, в клеточных процессах происходит активное движение молекул, ионов против градиента концентрации веществ. Данный процесс диффузии называется «осмос».
Осмос - это перемещение растворителя через непроницаемую мембрану для растворенного вещества, в сторону более высокой концентрации. Процесс реализуется по принципу разности осмотического давления водного раствора, по сторонам биологической мембраны. Вода свободно протекает осмотическим давлением через мембрану, но мембрана непроницаема для растворенных в воде веществ. Вода протекает против диффузии вещества, но подчиняется закону градиента концентрации воды.
Вода протекает из разбавленного раствора с более высокой концентрацией воды, в концентрированный раствор вещества с более низким процентным содержание воды. Перемещение воды в клетку осуществляется по принципу осмоса, с изменением концентрации в ней растворенных веществ. Осмотическое давление с двух сторон определяет концентрацию раствора. От осмотического давления растворов веществ по сторонам и упругости клеточной оболочки зависит состояние клеточной оболочки, называемое тургором (turgere — набухший, наполненный). Обычно упру-гость оболочек клеток животных невелика, она не имеет высокого тургорного давления и сохраняет целостность в изотонических растворах, или незначительно отличается от изотонического (разница между внутренним и внешним давлением менее 0,5—1,0 ам). Из-за тургора ткани обладают упругостью и прочностью. Процессы старения приводят к падению тургорного давления и истощению осмотических процессов.
Объем клеток регулируется объемом содержания воды. Клетка никогда не находится в полном равновесии с окружающей средой. Непрерывное движение ионов, молекул через плазматическую мембрану изменяют концентрацию веществ в клетке, с изменением осмотического давления ее содержимого. При секретировании какого-либо вещества, для удержания величины осмотического давления она должна либо выделять определенное количество воды, либо поглотить эквивалентное количество иного вещества. Среда, окружающая большинство клеток, гипотонична, для клеток необходимо прекратить поступление большого объема воды, удержание постоянства объема в изотонической среде требует расхода энергии, поэтому концентрация веществ в клетке, неспособных к диффузии (нуклеиновых кислот, белков т.д.) больше, чем в около клеточном пространстве. В клетке постоянно накапливаются метаболиты, что приводит к нарушению осмотического равновесия и при этих условиях клетки быстро набухают.
Клетки организма, снабженные полупроницаемой мембраной ,
контролируют осмотическое давление. При взаимодействии с гипоосмотической средой, внутрь клеток поступает вода и увеличивается объем. При значительном увеличении объема клеточная мембрана разрушается, клеточное содержимое выходит в среду и это явления называется цитолизом (для эритроцитов - гемолизом). Вещества, нарушающие эластичность биологических мембран (сурьмянистый водород, мышьяковистый водород и т.д.), уменьшают резистентность клеток к колебаниям осмотического давления среды и вызывают гемолиз. Реакция «антиген-антитело» приводит к изменению проницаемости клеточных мембран и становится причиной лизиса клеток. Клетки в гиперосмотической среде передают воду и объем их уменьшается (в крови появляются "звездчатые" эритроциты). Например, если организм млекопитающего долго находится в солёной морской, океанической воде, то происходит обезвоживание и гибель.
Для реализации «осмотического принципа » клетки используют два способа - откачивают из клетки компоненты своего содержимого или поступающую в них воду. В большинстве случаев клетки используют первую возможность - откачивают вещества, чаше ионы.
В целом объем клеток, не имеющих жестких стенок, определяется тремя факторами:

  • http://www.megalit23.ru/templates/bt_arise/images/bullet.png) 15px 8px no-repeat;"> а) количеством содержащихся в них веществ, неспособных к проникновению через мембрану;
  • /www.megalit23.ru/templates/bt_arise/images/bullet.png" target="_blank">http://www.megalit23.ru/templates/bt_arise/images/bullet.png) 15px 8px no-repeat;"> б) концентрацией соединений, способных проходить через мембрану;
  • /www.megalit23.ru/templates/bt_arise/images/bullet.png" target="_blank">http://www.megalit23.ru/templates/bt_arise/images/bullet.png) 15px 8px no-repeat;"> в) соотношением скоростей проникновения и откачки веществ из клетки.

Основу принципа в регулировании водного баланса между окружающей средой и клеткой составляет эластичность плазматической мембраны, поддерживающая гидростатическое давление, блокирующая поступление воды в клетку. При разности гидростатических давлений в областях среды, вода фильтруется через поры мембраны, разделяющая эти среды.
Таким образом, принцип фильтрации и осмоса составляет основу физиологических процессов - например, образование в нефроне первичной мочи, водообмен между кровью в капиллярах и тканевой жидкостью и т.п.
Процессы с обеспечением клетки энергией, получением продуктов, удалением продуктов распада имеют в своей основе закономерности диффузии через полупроницаемую живую мембрану, с поступлением веществ в кровь в кишечнике, и удалением «вредных» веществ из организма и т.п.
Если бы у животной клетки не существовало систем регулирования осмотического давления, концентрация растворенных внутри веществ оказалась бы больше внешних концентраций и содержание воды в клетке была бы меньше, чем снаружи. Поэтому, был бы постоянный приток воды в клетку с её разрывом. Животные клетки контролируют осмотическое давление в том числе и активным удалением неорганических ионов (ионов Na+ и т.д.), поэтому общая концентрация неорганических ионов внутри клетки ниже, чем снаружи.
Из всего этого следует, что клетка является открытой системой, осуществляющей обмен энергией и веществами с окружающей средой, но сохраняющей необходимое постоянство внутренней среды. Эти свойства саморегулирующейся системы реализуются в живых организмах по принципу мембранной фильтрации (осмотический процесс ).

А ВОТ 15 СЕРЬЁЗНЫХ ПРИЧИН, ЧТО БЫ ОТКАЗАТЬСЯ ОТ МЯСА 1. В мясе содержится лишь 35 % питательных веществ. В растениях - 90 %. По сравнению с растительной пищей в нем мало витаминов, углеводов, минеральных веществ (да и те при варке в значительной мере разрушаются, переходят в неусваиваемую форму). На переваривание мяса человеческому организму требуется большое количество времени и, следовательно, энергии. Таким образом, коэффициент полезного действия мясной пищи (отношение энергии, полученной от усвоения мяса, к энергии, затраченной на его переваривание) весьма мал. 2. Мнение, что мясо содержит незаменимые другими продуктами аминокислоты, ошибочно. Все необходимые организму аминокислоты этой группы синтезируются полезной микрофлорой в толстом кишечнике (если, конечно, при этом потребляется достаточное количество пищи для питания этой микрофлоры - сырой клетчатки - и она не погублена дрожжевым хлебом - дисбактериоз). 3. При оправдании потребления мяса ссылаются на то, что в мясе содержится витамин В12, которого лишены растения. Но если ввести в рацион пророщенную пшеницу, в большом количестве содержащую этот витамин, то отпадает потребность в мясе и по этой причине (витамин В12 также может вырабатываться здоровой микрофлорой). 4. Мясо содержит чужеродные нашему организму белки, которые угнетают полезную микрофлору, вызывая дисбактериоз, внося дисгармонию в работу систем организма, его способность к саморегулировке и самовосстановлению, приводя к перенапряжению и истощению адаптационных резервов, способствуя развитию рака. 5. Мясо излишне закисляет внутреннюю среду организма, что подавляет азотофиксирующие бактерии в дыхательных путях, меньше азота усваивается из воздуха, следовательно, увеличивается потребность в пище («жор»). 6. Излишнее количество белков и пуриновых оснований, содержащихся в мясе, образует в организме человека много кислотных остатков - мочевой кислоты, вызывая зашлаковку и отравление организма. Кислотные отбросы мяса (как и сахара, изделий из белой муки, пирожных) соединяются, нейтрализуясь, с органической известью из костей, повышается их хрупкость (остеопороз), возникают болезни суставов (ревматизм, артрит) и зубов. 7. Мясо сильно загрязнено гнилостными бактериями (они появляются сразу после убоя животного, значительная их часть устойчива к температурной обработке), трупным ядом - ведь от бойни до потребления нередко проходят недели (и даже месяцы), яйцами глистов. Продукты некробиоза, содержащиеся в мясе, по своему действию родственны болиголову и стрихнину. Кроме того, мясо убитого животного зашлаковано более чем двумястами вредными гормонами, которые выделяет организм животного от ужаса, когда его ведут на убой. Часто для ускорения роста животных или для их лечения им вводят препараты, которые обладают канцерогенными свойствами. А сколько нитратов, гербицидов и инсектицидов попадает в организм животных вместе с кормом, а затем и в наш организм? 8. Мясо содержит много экстрагенных веществ, излишне возбуждая аппетит, что ведет к перееданию. 9. Для переваривания мяса требуется 6-8 часов (овощей - 4, фруктов - 1), так что к следующему приему пищи это мясо не успеет перевариться полностью и частично начнет гнить, а так как нельзя же целый день питаться одной белковой пищей, то в этот следующий прием в организме окажутся бок о бок несовместимые между собой продукты, что еще больше усилит гниение. Гниющее непереваренное мясо (а также яйца, молоко) выделяют метан, разрушающий витамин В3, в результате (без этого витамина) фермент инсулин теряет свою активность и сахар в крови не преобразуется в животный сахар - гликоген. Так возникает сахарный диабет. 10. Метан разрушает и витамин В6, контролирующий процесс роста клеток, и, становясь канцерогеном, откладывается в зашлакованной подкожной клетчатке в липомах, папилломах, полипах (места будущих раковых опухолей). Признаком наличия этого канцерогена, в будущем провоцирующего возникновение рака, является окрашивание урины в красный цвет после приема свеклы. 11. Не менее вредно и мясо рыбы (тот же трупный яд, кроме того, вся наша речная рыба заражена яйцами глистов). В мясо рыб из окружающей среды попадает много хлорорганических соединений, которые нарушают выработку тестостерона в организме мужчин. Употребление рыбы часто оправдывают необходимостью для организма фосфора. Но фосфор вареной рыбы переходит в неусваиваемую форму. Органический же фосфор в достаточном количестве содержится в грецких орехах (в оптимальном сочетании с необходимым кальцием), гречке (если ее не подвергать длительной тепловой обработке), пшене, яичном желтке, горохе, простокваше. Вместе с тем эти «живые» продукты не обладают всеми перечисленными выше вредными факторами, характерными для мяса. 12. Особенно вреден мясной бульон. «Укрепляющий» мясной бульон фактически состоит из отбросов жизнедеятельности животного. В нем также сильно концентрированы экстрактивные вещества, вызывающие переедание (и способствующие развитию сердечно-сосудистых заболеваний). На переваривание бульона требуется в 30 раз больше энергии, чем на переваривание мяса, поэтому он сильно ослабляет организм (особенно во время болезни). 13. Все сказанное в полной мере относится и к мясопродуктам. Кроме того, колбасы, ветчина, сосиски содержат вредные добавки (красители, синтетические пряности, нитрат натрия, селитру, консерванты, не сочетающийся с белком крахмал), что ведет при систематическом употреблении сначала к несварению, а затем - к психическим заболеваниям, раку. Пищевой желатин из костных отваров также вреден (сверхконцентрат). 14. После потребления мясной пищи возникает тяжесть, клонит в сон (вся энергия уходит на переваривание), возникает усталость, раздражительность, запоры, а при обильном приеме мясной пищи - отложение солей в ногах (подагра), атеросклероз, холецистит, панкреатит (короче, все следствия зашлакованности организма). Развивается вспыльчивость, агрессивность. У мясоедов часто развивается рассеянный склероз, рак толстой кишки, молочной железы, крови. 15. Вот что заметил писатель и врач В. В. Вересаев о мясной пище («Записи для себя»). Когда в 20-е годы ему был назначен академический паек, то мяса хватало только на половину месяца. И тут он заметил, что в первые две недели в семье было типичное «мясное» настроение - тяжесть в голове, вялость. Когда же мясо кончалось, «появлялось желание работать, настроение делалось легким, тело подвижным». Мертвые белки мяса целесообразно заменять живыми белками, в первую очередь орехами (но не горьким миндалем, содержащим сильный яд - синильную кислоту), семечками (не жареными). Лучшие орехи - грецкие. Орехи содержат больше белка, чем мясо, а для переваривания требуют гораздо меньше желудочного сока.