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.

На пути в клетку или органеллу вода, как и другие вещества, должна пройти через плазмалемму, а для поступления в вакУ" оль - еще и через тонопласт. Односторонняя диффузия молекул

воды или другого растворителя через полупроницаемую мембрану называется осмосом (от греч. osmos - давление, толчок). Причиной осмоса является разность концентраций растворов по обе стороны полупроницаемой мембраны. В 1748 г. А. Ноллет впервые наблю­дал, как растворитель проходит через мембрану из разбавленного раствора в более концентрированный.

Система, в которой можно наблюдать осмос, называется осмо­тической. Она состоит из растворов разных концентраций или из раствора и растворителя, разделенных полупроницаемой мембра­ной. Пространство, окруженное такой мембраной и заполненное каким-нибудь раствором, получило название осмотической ячейки.

Изучение осмоса в растительной клетке началось давно. В 1826 г. французский ботаник Г. Дютроше смастерил для этого очень про­стое приспособление: к кончику стеклянной трубки он привязывал мешочек из пергамента, заполненный раствором соли или сахара, и опускал его в стакан с водой. При этом вода поступала в мешо­чек и раствор немного поднимался по трубке. Это была простей­шая модель клетки, которую назвали осмометром Дютроше.

В 1877 г. немецкий ботаник В. Пфеффер создал более совер­шенную модель растительной клетки (рис. 3.3), названную осмо­метром Пфеффера. Роль клеточной стенки играл пористый фарфо­ровый сосуд. Полупроницаемую мембрану получили, налив внутрь фарфорового сосуда раствор медного купороса и погрузив этот со­суд в другой, - с раствором ферроцианида калия. В результате в порах фарфорового сосуда, где оба раствора соприкасались, воз­никла полупроницаемая мембрана из ферроцианида меди - Cu 2 . Затем фарфоровый сосуд наполнили раствором саха-

Pa, играющим роль клеточного сока, и поместили в цилиндр с во­дой. Вода стала поступать в фарфоровый сосуд. То же самое на­блюдается и в клетке: если поместить ее в воду, вода поступает в вакуоль.

Таким образом, было показано, что клетка представляет собой осмотическую систему. Теперь мы хорошо знаем, что более концен­трированный раствор - это клеточный сок, менее концентрирован­ный находится в свободном пространстве клеточной стенки, а роль полупроницаемой мембраны выполняют сообща плазмалемма, то-нопласт и расположенная между ними цитоплазма (см. рис. 3.3). Поскольку в цитоплазме находится очень много разных органелл, окруженных мембранами, то всю ее в данном случае тоже можно считать полупроницаемой. Однако это слишком упрощенное пред­ставление о клетке как об осмотической системе. Любая органелла цитоплазмы, окруженная мембраной, представляет собой осмотиче­скую ячейку. В результате осмотическое передвижение воды проис­ходит также между отдельной органеллой и цитозолем.

Идеальная полупроницаемая мембрана пропускает молекулы воды и не пропускает молекул растворенного вещества. Сопротив­ление движению воды зависит от липидного бислоя и от конфигу­рации (строения и расположения) белковых глобул. Маленькие мо­лекулы воды легко диффундируют через плазмалемму в обоих на­правлениях: в клетку и из нее. Проницаемость плазмалеммы для воды достаточно велика. Например, если внести тяжелую воду в среду, окружающую корни, то через 1 - 10 мин процент этой воды в клетках корня будет таким же, как во внешнем растворе. Вещест­ва, разрыхляющие плазмалемму (например, пипольфен, вытесняю­щий кальций из мембран), увеличивают ее проницаемость для воды, а также для ионов.

Как долго вода может поступать в вакуоль? Теоретически по­ступление воды должно прекратиться, когда концентрация раство­ров по обе стороны полупроницаемой мембраны сравняется. Одна­ко это не так. Соединив свой прибор, имитирующий клетку, с трубкой, В. Пфеффер установил, что в результате поступления воды в фарфоровый сосуд с раствором сахара концентрация рас­твора уменьшается и движение воды замедляется. Поступление воды в более концентрированный раствор приводит к увеличению объема жидкости, поднятию ее по трубке осмометра. Вода будет подниматься по трубке до тех пор, пока давление водяного столба в ней не станет равным силе, с которой молекулы воды поступают в осмометр. В достигнутом состоянии равновесия полупроницаемая мембрана в единицу времени пропускает в обоих направления* одинаковые количества воды. То дополнительное давление, кото-

рое необходимо приложить к раствору, чтобы помешать односто­роннему току растворителя (воды) в раствор через полупроницае­мую мембрану, назвали осмотическим давлением (я). Давление столба жидкости в трубке служит мерой осмотического давления раствора.

В 1877 г. В. Пфеффер измерил осмотическое давление несколь­ких растворов, приготовленных растворением одного и того же ко­личества вещества в разных объемах растворителя. Датский химик Я. Вант-Гофф обобщил его результаты и предложил уравнение для расчета осмотического давления (л):

π = RTc,

где R - газовая постоянная; Т- абсолютная температура; с - кон­центрация раствора в молях. Это уравнение оказалось примени­мым ко всем разбавленным растворам, кроме растворов электроли­тов. Электролитическая диссоциация приводит к образованию в растворе большего числа частиц растворенного вещества и этим вызывает увеличение осмотического давления. Поэтому в уравне­ние (1) был введен показатель /-изотонический коэффициент, равный 1 + а (п - 1), где а - степень электролитической диссо­циации, п - число ионов, на которые распадается молекула элек­тролита. В результате уравнение осмотического давления приняло следующий вид:

π = RTci. (2)

Таким образом, осмотическое давление разбавленного раствора при постоянной температуре определяется количеством молекул, Ионов растворенного вещества в единице объема. На величину ос­мотического давления влияет концентрация лишь растворенных в воде веществ. Эти вещества называются осмотически активными (осмотиками). К ним относятся органические кислоты, аминокис­лоты, сахара, соли. Суммарная концентрация этих веществ в кле­точном соке варьирует у большинства клеток от 0,2 до 0,8 М.

Осмотическое давление измеряют, определяя то внешнее давле­ние, которое следует приложить, чтобы предотвратить подъем воды п о трубке осмометра. Оно выражается в атмосферах, барах или пас-калях (1 атм = 1,013 бара = 10 5 Па; 10 3 Па = 1 кПа; 10 6 Па = 1 МПа). "астворы с одинаковым осмотическим давлением называются изо- т °ническими (изоосмотическими); между ними осмос не наблюда- етс я. Раствор, имеющий большее осмотическое давление, называ- егс я гипертоническим, меньшее - гипотоническим.

(1)

После работ В. Пфеффера поступление воды в клетку стали объяснять только разностью осмотических давлений клеточного сока и наружного раствора: если клетка находится в гипотониче­ском растворе, или в воде, вода входит в нее {эндосмос); если клетка находится в гипертоническом растворе, то вода выходит из клетки {экзосмос). В последнем случае вакуоль сжимается, объем прото­пласта уменьшается, и протопласт отделяется от клеточной стенки. Происходит плазмолиз (см. рис. 1.5).

Такое объяснение поступления воды в клетку в течение многих лет считалось единственно правильным. Однако в 1918 г. А. Урш-прунг и Г. Блюм (Германия) доказали, что поступление воды в клетку зависит не только от разности осмотического давления в разных компартментах клетки. Поступая в клетку, вода тем самым увеличивает объем вакуоли, которая давит на цитоплазму и застав­ляет протопласт прижиматься к клеточной стенке. Клеточная стен­ка растягивается, отчего клетка переходит в напряженное состоя­ние - тургор. Давление протопласта на клеточную стенку получи­ло название тургорного. Если бы клеточная стенка могла растяги­ваться неограниченно, то поступление воды в вакуоль шло бы до тех пор, пока концентрация растворов снаружи и внутри клетки не сравнялась. Но так как клеточная стенка имеет небольшую эла­стичность, она начинает давить на протопласт в противоположном направлении. Это давление клеточной стенки на протопласт назы­вается тургорным натяжением.

Тургорное натяжение в соответствии с третьим законом Ньюто­на равно по абсолютной величине тургорному давлению, но проти­воположно ему по знаку. Давление клеточной стенки на прото­пласт противодействует дальнейшему поступлению воды в клетку. Когда оно станет равным осмотическому давлению, поступление воды в клетку прекратится.

Таким образом, осмотическое поступление воды приводит к возникновению гидростатического (тургорного) давления. Разница между осмотическим давлением клеточного сока и противодавле­нием клеточной стенки определяет поступление воды в клетку в каждый данный момент.

В 1959 г. Т. А. Беннет-Кларк показал, что передвижение воды с помощью диффузии из одной системы в другую зависит от разни­цы в свободной энергии. Согласно молекулярно-кинетической тео­рии, молекулы всех веществ находятся в состоянии быстрого хао­тичного движения, скорость которого зависит от энергии этих М°" лекул, характеризуемой величиной их химического потенциала.

Химический потенциал воды называется водным потенциалом (ψ). Чем ниже энергия молекул воды, тем ниже водный потенциал. Добавление к воде растворимых веществ уменьшает ее химический потенциал, так как ионы связывают воду. Следовательно, химиче­ский потенциал чистой воды наибольший; условно при стандарт­ной температуре и стандартном давлении он принят равным нулю. Поэтому химический потенциал любого раствора - отрицатель­ная величина и с увеличением концентрации растворенных веществ становится все более отрицательным.

Согласно второму закону термодинамики, перенос энергии, как I и вещества, происходит самопроизвольно лишь от более высокого уровня химического потенциала к более низкому, т. е. по градиен­ту. Молекулы воды перемещаются всегда в направлении от более высокого водного потенциала к более низкому.

Итак, поступление воды в раствор через полупроницаемую мембрану обусловлено разностью между свободной энергией чис­той воды и свободной энергией раствора. В 1960 г. был введен тер­мин «водный потенциал клетки». Водный потенциал клетки (Ψкл) - это разность между свободной энергией воды внутри и вне клетки при той же температуре и атмосферном давлении.

Величина водного потенциала клетки определяется степенью ее насыщенности водой: чем больше клетка насыщена водой, тем ме­нее отрицателен ее водный потенциал. Чем выше концентрация растворенных веществ в вакуоли или в другой осмотической ячей­ке, тем сильнее связывается вода, тем меньше энергии расходуется на движение, тем ниже водный потенциал в этой ячейке, тем боль­ше разность потенциалов и тем быстрее поступает вода. Водный потенциал клетки - это мера энергии, с которой вода устремляет­ся в клетку.

Таким образом, водный потенциал клетки показывает, насколь­ко энергия воды в клетке меньше энергии чистой воды, и характе­ризует способность воды диффундировать, испаряться или погло-Щаться.

Ту компоненту водного потенциала клетки, которая определя­йся присутствием растворенного вещества, обозначают особым Термином - «осмотический потенциал» (Ψπ).

Осмотический потенциал раствора связан прямой зависимо­стью с концентрацией растворенного вещества. С увеличением этой концентрации осмотический потенциал становится все более отрицательной величиной. В менее концентрированных растворах осмотический потенциал соответственно менее отрицателен.

В том случае, когда раствор отделен от чистой воды полупрони­цаемой мембраной, вода поступает в раствор и вследствие этого воз­никает осмотическое давление, равное по величине, но противопо­ложное по знаку, исходному осмотическому потенциалу. Раствор обладает осмотическим потенциалом, за счет которого возникает та­кое давление, и его можно обнаружить, если, например, этот рас­твор поместить в осмометр. Численно по абсолютной величине ос­мотический потенциал равен тому давлению, т. е. осмотическому давлению, которое необходимо приложить к раствору в осмометре для того, чтобы предотвратить поступление в него воды. Осмотиче­ский потенциал есть у раствора всегда, даже если этот раствор в дей­ствительности и не развивает осмотического давления.

В отсутствие противодавления клеточной стенки (Ψр) поступле­ние воды в клетку определяется водным потенциалом клетки (Ψкл), в начальный момент времени, равным (сначала) осмотическому потенциалу раствора (Ψπ),заполняющего вакуоль. Если рядом ока­жутся две клетки с разными Ψкл,то вода через клеточную стенку будет переходить из клетки с более высоким (менее отрицатель­ным) укл в клетку с более низким (более отрицательным) Ψкл. Од­нако с поступлением воды в вакуоль ее объем увеличивается, вода разбавляет клеточный сок, и клеточная стенка начинает испыты­вать давление протопласта. С увеличением объема вакуоли прото­пласт прижимается к клеточной стенке и возникает тургорное дав­ление, а вместе с ним и равное ему по величине противодавление клеточной стенки на протопласт (Ψр), о чем мы уже говорили. Ко­гда Ψр достигает довольно большой величины, дальнейший приток воды в вакуоль прекращается. Устанавливается динамическое рав­новесие, при котором суммарный поток воды равен нулю, т. е. ко­личество воды в вакуоли не изменяется, хотя молекулы воды и продолжают быстро перемещаться через мембрану в обоих направ­лениях. При этом положительный потенциал гидростатического (тургорного) давления полностью уравновешивает отрицательный осмотический потенциал и клетка перестает поглощать воду; в та­ком состоянии ее водный потенциал равен нулю. Это состояние называется состоянием насыщения. В состоянии насыщения клетка уже не сможет поглотить воду ни из какого раствора, не сможет и отнять ее от другой клетки.

Итак, водный потенциал клетки зависит от осмотического по­тенциала (-Ψπ) и от потенциала гидростатического (тургорного) давления (─Ψр) и является алгебраической суммой:─Ψкл = Ψπ─Ψр

Поскольку осмотический потенциал равен разности между хи­мическим потенциалом раствора и химическим потенциалом чис-

той воды, который равен 0, то он всегда отрицателен. Осмотиче­ский потенциал показывает, насколько прибавление растворяемого вещества снижает активность молекул. Водный потенциал клетки (Ψкл) тоже отрицателен, так как присутствие растворенных веществ снижает активность молекул воды; потенциал гидростатического давления (Ψр) наоборот, - положителен. Это соотношение пара­метров можно записать в виде следующего уравнения: ■

−Ψкл =−Ψπ −Ψр (3)

В любой данный момент времени водный потенциал клетки определяется разностью между потенциалом тургорного давления и осмотическим потенциалом.

Для клеток деревьев в состав этого уравнения включают еще одно слагаемое - гравитационный потенциал (−Ψg), отражающий влияние на активность воды силы тяжести, заметно сказывающий­ся только при подъеме воды на большую высоту. Он тоже является отрицательной величиной.

Вода всегда поступает в сторону более отрицательного водного по­тенциала: из той системы, где ее энергия больше, в ту, где ее энергия меньше. Если рядом находятся две клетки, вода будет поступать в ту клетку, у которой отрицательнее водный потенциал. Направление движения воды зависит от градиента водного потенциала.

В обычных условиях осмотический потенциал клетки не урав­новешен полностью давлением клеточной стенки. Следовательно, клеточная стенка растянута не до конца, и вода может поступать в клетку. Чем больше в клетку поступает воды, тем больше растут тургорное (гидростатическое) давление и противодавление клеточ­ной стенки. Наконец, наступает такой момент, при котором кле­точная стенка растягивается до предела, осмотический потенциал целиком уравновешивается противодавлением клеточной стенки, а водный потенциал клетки становится равным нулю (состоянием насыщения) (-Ψπ= - Ψ p). После этого клетка уже не сможет погло­тить воду ни из какого раствора, не сможет она и отнять ее от дру­гой клетки. Это состояние наблюдается в клетках при достаточной влажности почвы и воздуха.

Если влажность почвы достаточна, а испарение не слишком ин­тенсивно, клеточная стенка насыщена водой. В этом случае вод­ный потенциал клеточной стенки выше, чем в вакуоли, и вода по­ступает в вакуоль. Если подача воды к клетке уменьшается, напри­мер при недостатке влаги в почве или при усилении ветра, то вна­чале возникает водный дефицит в клеточных стенках, водный по- Те нциал которых становится ниже, чем в вакуолях, и вода поступа- е т из них в клеточные стенки. Отток воды из вакуоли снижает тур-

Горное давление в клетках и, следовательно, уменьшает их водный потенциал. При длительном недостатке воды большинство клеток теряет тургор и растение увядает. В этих условиях протопласт не давит на клеточную стенку; противодавление клеточной стенки равно нулю; водный потенциал клетки равен ее осмотическому по­тенциалу (−Ψкл = −Ψπ).

В условиях водного дефицита, например при суховее, в молодых тканях резкое усиление потери воды может произойти в результате испарения воды в клетке, но протопласт, сокращаясь в объеме, не отстает от клеточной стенки, а тащит ее за собой. При этом кле­точная стенка волнообразно изгибается и не только не давит на протопласт, а, наоборот, стремится его растянуть. Это состояние назвали циторризом.

Таким образом, из всего сказанного можно сделать вывод: по­ступление воды в клетку за счет осмотических сил подготавливает постепенно условия для прекращения поступления воды. Следова­тельно, поступление воды в клетку - саморегулируемый процесс. Однако если испарение воды продолжается, то опять возникает градиент водного потенциала. Между вакуолью, цитоплазмой и клеточной стенкой после каждого изменения содержания воды ус­танавливается равновесие.

У не имеющих центральной вакуоли меристематических клеток тоже происходит осмотическое поступление воды, причем избира­тельно проницаемой мембраной является плазмалемма, а осмоти­чески действующим раствором - цитозоль.

Знание величины осмотического потенциала имеет большое
значение, в частности, для экологических исследований. Его вели­
чина позволяет судить о максимальной способности растения по­
лучать воду из почвы и удерживать ее, несмотря на засушливые ус­
ловия. Эта величина колеблется в широких пределах: от -0,1 до
-20 МПа. У большинства растений умеренной зоны осмотический
потециал колеблется от -0,5 до -3,0 МПа. У растений, живущих в
пресной воде, осмотический потенциал составляет около -0,1
МПа, у морских водорослей - от -3,6 до -5,5 МПа. Для наземных
однолетних растений характерна следующая закономерность: чем в
более сухих местах они обитают, тем у них ниже осмотический по­
тенциал. Так, у растений, живущих в условиях нормального водо­
снабжения, осмотический потенциал клеток равен -0,5 ... -3,0 МПа,
на засоленных почвах----- 6,0 ... -8,0 МПа, иногда даже -10. Осмо­
тический потенциал, равный -20,0 МПа был обнаружен у лебеды
скученнолистной, растущей на сухих и засоленных почвах пустынь
Мексики. Исключение из этого правила составляют суккуленты,
произрастающие в сухих местах, но запасающие воду в тканях. У

светолюбивых растений осмотический потенциал более отрица­тельный, чем у теневыносливых.

Обычно отрицательная величина осмотического потенциала больше у мелких клеток по сравнению с крупными. Однако даже соседние клетки одной ткани могут различаться по его величине. Так, в тканях стебля отрицательный осмотический потенциал воз­растает от периферии к центру и от основания к верхушке. В корне отрицательный осмотический потенциал, наоборот, постепенно снижается от основания к верхушке. В проводящих тканях стебля и корня осмотический потенциал колеблется от -0,1 до -0,15 МПа, а листьев - от -1,0 до −1,8 МПа.

Величина осмотического потенциала изменяется и в пределах

растения: у корней −0,5−1,0, у верхних листьев - до −4,0 МПа.

Это обусловливает существование градиента водного потенциала клеток от корней к листьям. У молодых растений осмотический потенциал меньше, чем у старых. У деревьев он отрицательнее, чем у кустарников; у кустарников более отрицателен, чем у трав. В поч­ве, атмосфере водный потенциал обычно отрицателен.

Величина осмотического потенциала зависит также от темпера­туры, интенсивности света. Они определяют ее годичные и суточ­ные колебания. Около полудня потеря воды в результате транспи-рации и накопление продуктов фотосинтеза в клетках листьев вы­зывают уменьшение осмотического потенциала. При хорошем во­доснабжении, в частности у водных растений, колебания осмоти­ческого потенциала зависят только от скорости фотосинтеза, свя­занного с изменением освещенности в течение дня.

Растение может регулировать величину осмотического и, сле­довательно, водного потенциала. Превращение сложных нерас­творимых веществ в растворимые (крахмала в сахар, белков в аминокислоты) приводит к возрастанию концентрации клеточно­го сока и понижению водного потенциала. Накопление раствори­мых солей в вакуоли также вызывает изменение его величины. Несмотря на то, что осмотический потенциал меняется в зависи­мости от внешних условий, для каждого вида растений изменения его величины происходят в определенных пределах. Величину ос­мотического потенциала некоторые экологи даже считают одной из характеристик вида.

Однако осмос в живой клетке нельзя считать просто односто­ронней диффузией, не зависящей от обмена веществ; для него не­обходима энергия. Факторы, стимулирующие дыхание, ускоряют поступление воды в клетку и, наоборот, факторы, ингибирующие его, уменьшают ее поступление. Следовательно, для поступления воды в клетки нужна энергия АТФ.

Почему для осмоса нужна энергия? Во-первых, нужно иметь растворы разной концентрации по обе стороны мембраны; энергия тратится на активный транспорт растворенных веществ в вакуоль и создание градиента концентрации. Во-вторых, осмотически актив­ные вещества, накапливающиеся в вакуоли, являются продуктами метаболизма, следовательно, для их образования тоже затрачивает­ся энергия. И, в-третьих, энергия необходима для сохранения из­бирательной проницаемости мембран. Стоит прекратить затрату энергии для поддержания структуры мембран, как они станут про­ницаемыми, что приведет к выравниванию концентраций по обе стороны мембраны - в результате осмос прекратится.

Осмотические процессы лежат в основе многих процессов, на­пример поступления воды, движения органов растения, движения устьиц.

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.

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.

Обдумывая выбор системы фильтрации воды для питья, хозяйственных нужд, пользователи часто задаются вопросом, что такое обратный осмос, т.к. основанные на нем фильтры являются очень популярными.

Под этим термином понимается процесс, при котором под воздействием давления растворитель (роль которого обычно играет вода), проходит частично проницаемую мембрану из раствора большей концентрации в раствор меньшей концентрации. Эта технология не является придумкой человека, она существует в живых организмах, обеспечивая обмен различными веществами между клетками. Человеком применяется обратный осмос с целью опреснения или очистки воды.

Требуемое давление может сильно варьироваться в зависимости от характеристик исходной жидкости. Так для опреснения соленых морских вод требуется около 70-80 атмосфер, для очистки пресной воды из скважин, систем централизованного водоснабжения от примесей и загрязнений – 3-4 атмосферы. Повышение давления лишь улучшает качество фильтрации.

Суть фильтрации обратным осмосом

Такой метод позволяет гораздо эффективней очищать воду, чем более традиционные, основанные только на механическом отделении крупных загрязнений, адсорбции ряда веществ. При обратном осмосе фильтрация идет на куда более мелком уровне – молекулярном. Даже такая система не может обеспечить 100% очистки, но посторонние примеси проходят мембраны в фильтрах в ничтожно малых количествах. По большинству неорганических соединений/элементов фильтрация составляет 85% — 98%. Органические вещества большого молекулярного веса удаляются практически полностью. Основные содержащиеся в воде газы – кислород, водород – почти не изменяют своей концентрации, т.е. вкус воды не меняется.

Особо важен следующий факт: бактерии и вирусы как раз являются крупными по размеру, т.е. отфильтровываются, вода получается обеззараженной. Дополнительно фильтры часто оснащаются ультрафиолетовыми излучателями, окончательно уничтожающими всех потенциальных возбудителей болезней.

Получаемая на выходе вода очень чистая и может использоваться для питья и готовки даже без дополнительного кипячения. Минимальное содержание солей приводит к почти полному отсутствию накипи в чайниках, посудомоечных, стиральных машинах. Свойства отфильтрованной воды близки к воде талой. Не приготовляемой дома, получаемой от таяния выпавшего снега, а от древних ледников, замерзших еще тогда, когда экология планеты была несравнимо лучше.

Эффективность осмотической фильтрации

Естественно, система обратного осмоса не может работать одинаково хорошо в любых условиях. Качество фильтрации зависит от:

• Давления;
• Температурного режима;
• Кислотности среды;
• Материала мембраны;
• Химического состава фильтруемой воды.

Размер ячеек мембраны таков, что через нее свободно проходят молекулы воды и то, что имеет еще меньший диаметр. Более крупные элементы задерживаются. А чтобы они не скапливались у фильтрующей поверхности, замедляя процесс очистки, в фильтре предусматривается дополнительный небольшой поток воды, смывающий их в дренаж.

Но к крупногабаритным загрязнениям такие мембраны очень чувствительны. Поэтому с целью их защиты от быстрого изнашивания необходим фильтр или целая система фильтров предварительной очистки, отделяющих элементы вроде ржавчины, песка, кусочков органики и т.д., адсорбирующих некоторые примеси вроде хлора. Иначе в лучшем случае качество фильтрации ухудшится, ее скорость замедлится, в худшем – фильтр вовсе выйдет из строя.

Так ли идеальна отфильтрованная вода

При всех достоинствах есть у таких систем и недостаток. Высокая степень очистки воды означает почти полную деминерализацию. Питье такой воды приводит к вымыванию из организма многих необходимых веществ (к примеру, кальция, магния), что негативно сказывается на здоровье — в первую очередь, состоянии костей.

Проблема решается:

• установкой минерализаторов для той воды, которая будет использована для питья (а не для готовки, мытья посуды, стирки), добавляющих только необходимые человеку элементы;
• дополнительным приемом витаминно-минеральных комплексов;
• питьем не только воды, но и других напитков.

Строение мембран фильтра

Мембраны по сути представляют собой очень мелкое сито, размер ячеек которого настолько мал, что невооруженным глазом их не разглядеть. Для большей прочности и устойчивости мембраны могут крепиться к пластиковым сеткам, которые дополнительно предохраняют их от крупного мусора, все же прошедшего все предыдущие ступени очистки.

Изготавливаются мембраны из композитных полимерных материалов. Их пропускная способность недостаточно высока, чтобы при малой площади обеспечить потребности потребителей. Поэтому производители фильтров стремятся максимально эту площадь увеличить, сворачивая рулонами.

Основные характеристики мембран:

• Производительность (т.е. какой объем воды за единицу времени очищается);
• Степень фильтрации (какой процент поступившей воды очищается). Неочищенная вода может просто сливаться в канализацию, а может использоваться для полива растений, смыва и прочих хозяйственных дел, где идеальная чистота жидкости не особо важна.

Выбор фильтра

Подбирая систему обратного осмоса, следует обратить внимание не только на их качество и производительность, но и требуемое им давление поступающей жидкости. Возможно, напора водопроводной воды будет недостаточно, тогда лучше выбрать другой фильтр, работающий при меньшем давлении или имеющий встроенный насос, либо установить насос отдельно.

Фильтры обратного осмоса, применяемые в домашних условиях, способны очистить за сутки пару-тройку сотен литров воды, чего для нужд среднестатистической семьи более чем достаточно. Для промышленных предприятий применяются куда более мощные установки, отфильтровывающие в сотни раз большие объемы.

Подводя итоги

В общем, обратный осмос, несмотря на свою простоту, обеспечивает высокую степень очистки и обеззараживания воды. Поэтому фильтры с применением этой технологии полностью оправдывают затраты на их приобретение, обслуживание и ремонт.