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.
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.
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.
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.
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.
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.
Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Волгоградский государственный медицинский университет Министерства Здравоохранения Российской Федерации.
Кафедра химии
Реферативная работа на тему:
«Коллигативные свойства растворов. Осмос и диффузия в растительной клетке»
Проверила: Складановская Наталия Николаевна
Подготовила:
студентка 2 курса
Игнатенко А.А
Фармацевтический факультет
202 группы
Волгоград 2015г
1.Введение
2. Коллигативные свойства.
3.Поступление воды в растительную клетку.
4. Диффузия.
6. Роль осмоса и осмотического давления в клетке.
7. Заключение.
8.Список литературы.
Введение
К коллигативным свойствам растворов, т.е. свойствам, зависящим от количества частиц, относятся осмотическое давление, диффузия, понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения растворов по сравнению с чистым растворителем. Осмотическое давление обеспечивает упругость и эластичность тканей. Коллигативные свойства физиологических, гипертонических и гипотонических растворов связаны с их клиническими свойствами.
Осмос имеет большое значение в жизнедеятельности человека, животных и растительных организмов. Как известно, все биологические ткани состоят из клеток, внутри которых находится жидкость (цитоплазма), представляющая собой раствор различных веществ в Н2О. Оболочка клетки полупроницаема и через нее достаточно свободно проходит вода.
Снаружи клетки омываются межклеточной жидкостью, тоже представляющей собой водный раствор. Причем концентрация растворенных веществ внутри клеток больше чем в межклеточной жидкости. Вследствие осмоса наблюдается переход растворителя из внешней среды в клетку, что вызывает ее частичное набухание или тургор. При этом клетка приобретает соответствующую упругость и эластичность. Тургор способствует сохранению определенной формы органов у животных организмов, стеблей и листьев у растений. В срезанных растениях в результате испарения воды объем меж- и внутриклеточной жидкости уменьшается, снижается осмотическое давление, упругость клеток понижается и растение вянет. Увлажнение растений, помещение их в воду вызывает осмос и снова сообщает тканям упругость.
Коллигативными свойствами называют растворы обладают рядом свойств, которые обусловлены общими причинами и определяются только концентрацией растворенного вещества, т.е., числом его частиц, молекул в системе, но не зависят от их массы, формы, размеров.
Такими свойствами являются:
Осмотическое давление,
Понижение давления насыщенного пара растворителя над раствором,
Повышение температуры кипения и понижение температуры замерзания раствора.
У растворов разных по своей природе веществ, но содержащих одно и то же число кинетически активных частиц растворенного вещества данные свойства будут одинаковые.
Это явление присуще разбавленным растворам нелетучих низкомолекулярных веществ, т.е., растворам, которые по своим характеристикам наиболее сильно приближаются к идеальным.
Для осуществления всех процессов жизнедеятельности в клетку из внешней среды должны поступать вода и питательные вещества. Вода прямо или косвенно участвует во всех реакциях обмена и является важнейшей составной частью растительной клетки. Но помимо поступления воды в клетку может осуществляться и обратный процесс – выход воды из клетки. Эти явления объясняются процессами диффузии и осмоса.
Как известно, при температуре выше абсолютного нуля все молекулы находятся в постоянном беспорядочном движении. Это показывает, что они обладают определенной кинетической энергией. Благодаря постоянному движению при смешении двух жидкостей или двух газов их молекулы равномерно распределяются по всему доступному объему.
Диффузия - это процесс, ведущий к равномерному распределению молекул растворенного вещества и растворителя. Как всякое движение, диффузия требует энергии. Диффузия всегда направлена от большей концентрации данного вещества к меньшей, от системы, обладающей большей свободной энергией к системе с меньшей свободной энергией.
Свободной энергией называется часть внутренней энергии системы, которая может быть превращена в работу. Свободная энергия, отнесенная к 1 молю вещества, носит название химического потенциала. А как известно химический потенциал можно определить как изменение любого вида энергии, сопровождающее изменение количества вещества в системе.
μi = (∂U/∂ni)S,V,nj = (∂H/∂ni)S,p,nj = (∂F/∂ni)T,V,nj = (∂G/∂ni)T,p,nj
где ni- число молей
индекс j ≠ i – постоянное количество всех dni компонентов, кроме ni.
Таким образом, химический потенциал - это мера энергии, которую данное вещество использует на реакции или движение. Химический потенциал - функция концентрации. Чем выше концентрация данного вещества, тем выше его активность и его химический потенциал.
Диффузионное передвижение вещества всегда идет от большего к меньшему химическому потенциалу. Так как химический потенциал характеризует способность рассматриваемого компонента к выходу из данной фазы или к выходу из данного состояния при химическом взаимодействии. В многофазных (гетерогенных) системах переход данного компонента может происходить самопроизвольно только из фазы, где его химический потенциал больше, в фазу, в которой его химический потенциал меньше. Поэтому переход сопровождается уменьшением химического потенциала компонента в 1-й фазе и увеличением во 2-й. В результате, разность между химическими потенциалами данного компонента в этих двух фазах уменьшается и при достижении равновесия химический компонента становится одинаковым в обеих фазах. В любой равновесной гетерогенной системе химический потенциал каждого компонента одинаков во всех фазах. Значит,в неравновесных системах любой компонент будет стремиться из состояния с более высоким химическим потенциалом в состояние с более низким потенциалом до тех пор, пока не установится равновесие.
Разность величин μ определяет направление химических реакций, фазовых превращений, диффузии веществ из одной фазы в другую. Добавление к воде молекул растворенного вещества приводит к возникновению связи между молекулами воды и растворенного вещества, что уменьшает ее активность, ее свободную энергию, ее химический потенциал. В том случае, если диффундирующие вещества встречают на своем пути мембрану, движение замедляется, а в некоторых случаях прекращается.
Скорость диффузии зависит от температуры, природы вещества, разности концентраций. Чем выше концентрация данного вещества, тем выше его активность и его химический потенциал.
Диффузия воды по направлению от большего к меньшему химическому потенциалу через мембрану носит название осмоса. Иначе говоря, осмос - это диффузия воды или другого растворителя через полупроницаемую перепонку, вызванная разностью концентраций или разностью химических потенциалов.
Осмос.
Осмос - результат неравенства химических потенциалов воды по разные стороны мембраны. Идеальная полупроницаемая мембрана пропускает молекулы воды и не пропускает молекулы растворенного вещества.
Одним из выдающихся ученых работавших в данной области был Вильгельм Пфеффер – немецкий ботаник и физиолог растений. Родился в Гребенштейне, близ Касселя. Изучал химию и фармацевтику в Гёттингенском университете (1863-1865). Основные работы посвящены физиологии растений. Изучал осмотические явления в растительных клетках, обусловливающие поглощение растениями воды и минеральных веществ. В эти работы Пфеффера заложены основы мембранной теории клеточной проницаемости. С помощью сконструированного им осмометра с полупроницаемой перегородкой из железосинеродистой меди (ячейка Пфеффера) установил (1877) зависимость осмотического давления от концентрации раствора, температуры и размера молекул, обобщённые Я. Г. Вант-Гоффом (1887). Исследовал процессы дыхания и азотного обмена в растениях, энергетику фотосинтеза, превращения запасных питательных веществ, физиологию раздражимости и механику движения листьев и цветков. Открыл положительный хемотаксис у гамет папоротников.
Как уже упоминалось выше В.Пфеффер в 1877 г. приготовил искусственную полупроницаемую мембрану. Для этого в пористый фарфоровый сосуд наливали раствор медного купороса и помещали в другой сосуд, заполненный раствором ферроцианида калия. В порах первого фарфорового сосуда растворы соприкасались и реагировали друг с другом. В результате в порах образовалась пленка из ферроцианида меди Cu 2 , которая обладала полупроницаемостью.
Таким образом, была создана модель клетки: полупроницаемая пленка имитировала мембрану, а стенки сосуда - пектоцеллюлозную оболочку. Сосуд, в порах которого образовалась полупроницаемая мембрана, заполненный раствором сахарозы, помещали в воду.
Такой прибор получил название осмометра.
Схема осмометра Пфеффера на Рис.1: 1 - сосуд с растворителем; 2- мембрана; 3 - ячейка с раствором; 4 - манометр.
Продолжив изучения, В. Пфеффер установил такой факт - поступление воды в раствор через полупроницаемую перегородку обусловливается разностью между свободной энергией чистой воды и раствора - данный процесс происходит самопроизвольно по градиенту свободной энергии воды. Кроме того, Пфеффер обнаружил, что химический состав раствора не изменяется после его разбавления, то есть пленка обладает селективностью (избирательностью) по проникающим компонентам. Так появился термин «полупроницаемая мембрана».
Схема эксперимента по измерению осмотического давления (Рис.2)
Однако Пфеффер не смог установить количественные зависимости осмотического давления от концентрации и температуры.
Данную зависимость вывел Вант-Гофф:
Линейная зависимость осмотического давления от концентрации раствора и от температуры соблюдается только для идеальных растворов. То есть уравнение для идеальных растворов имеет вид:
Поэтому уравнение можно применять только для разбавленных растворов. Если растворенное вещество диссоциирует и имеет степень диссоциации, то в простейшем случае диссоциации одной частицы на две имеем АВ-А+ + В-.
Число недиссоциированных частиц, получившихся из 1 моль, равно (1-а) моль, число продуктов диссоциации равно 2а моль, а всего молей будет 1 - а + 2а=1+a.
Сумму 1 +а обозначают буквой i. Это так называемый изотонический коэффициент Вант-Гоффа.
Тогда уравнение осмотического давления принимает вид
где π – осмотическое давление,
i – коэффициент Вант-Гоффа,
R – универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/моль∙К
T – абсолютная температура, К
Идеальными при любых концентрациях являются растворы, компоненты которых близки по физическим и химическим свойствам и образование которых не сопровождается объёмными и тепловыми эффектами. В этом случае силы межмолекулярного взаимодействия между однородными и разнородными частицами примерно одинаковы, и образование раствора обусловлено лишь энтропийным фактором.
Реальные растворы компоненты которых существенно различаются по физическим и химическим свойствам, подчиняются закону Рауля лишь в области бесконечно малых концентраций.
В осмометре при наличии полупроницаемой мембраны вода будет поступать в раствор, что приведет к его разбавлению, и движение воды будет замедляться.
Наступает термодинамическое равновесие. Термодинамическим равновесием называется такое термодинамическое состояние системы, которое при постоянстве внешних условий не изменяется во времени, причём, эта неизменяемость не обусловлена каким-либо внешним процессом. Таким образом, давление столба жидкости уравновесит силу, с которой молекулы воды поступают в осмометр. Энергия молекул воды, которая уменьшилась благодаря введению растворенного вещества, восполнится давлением столба жидкости. Это давление повышает химический потенциал раствора (μ р), делая его равным химическому потенциалу чистой воды (μ в). В этом период времени наблюдается осмотическое равновесие. Так как осмотическое равновесие было достигнуто процесс осмоса останавливается.
Если после достижения осмотического равновесия со стороны раствора приложить давление, превышающее осмотическое, то растворитель начнет переходить из раствора в обратном направлении. В этом случае будет иметь место обратный осмос.
Присоединив манометр, можно измерить давление, которое надо приложить к системе, чтобы предотвратить поступление воды в раствор и наоборот.
Обратный осмос применяется в фильтрующих установках для очистки и обогащения воды минералами.
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.
Впервые осмос наблюдал А. Нолле в , однако исследование этого явления было начато спустя столетие.
Рис. 1.
Осмос через полупроницаемую мембрану. Частицы растворителя (синие) способны пересекать мембрану, частицы растворённого вещества (красные) - нет.
Явление осмоса наблюдается в тех средах, где подвижность растворителя больше подвижности растворённых веществ. 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). Как правило, это связано с размерами и подвижностью молекул, например, молекула воды меньше большинства молекул растворённых веществ. Если такая мембрана разделяет раствор и чистый растворитель, то концентрация растворителя в растворе оказывается менее высокой, поскольку там часть его молекул замещена на молекулы растворённого 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 вещества уменьшаться), тогда как объём растворителя будет соответственно уменьшаться.
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. 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 . Если принять меры, чтобы концентрации не менялись, осмотическое давление достигнет постоянной величины, когда обратный поток молекул воды сравняется с прямым.
Осмос , направленный внутрь ограниченного объёма жидкости, называется эндосмосом , наружу - экзосмосом . Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением . Это осмотическое давление возникает соответственно Принципу Ле Шателье из-за того, что система пытается выравнять концентрацию раствора в обоих средах, разделенных мембраной, и описывается вторым законом термодинамики. 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 .
Осмос играет важную роль во многих биологических процессах. Мембрана, окружающая нормальную клетку крови , проницаема лишь для молекул воды, кислорода , некоторых из растворённых в крови питательных веществ и продуктов клеточной жизнедеятельности; для больших белковых молекул, находящихся в растворённом состоянии внутри клетки, она непроницаема. Поэтому белки, столь важные для биологических процессов, остаются внутри клетки.
Осмос участвует в переносе питательных веществ в стволах высоких деревьев, где капиллярный перенос не способен выполнить эту функцию.
Осмос широко используют в лабораторной технике: при определении молярных характеристик полимеров, концентрировании растворов, исследовании разнообразных биологических структур. Осмотические явления иногда используются в промышленности, например при получении некоторых полимерных материалов, очистке высоко-минерализованной воды методом обратного осмоса жидкостей.
Клетки растений используют осмос также для увеличения объёма вакуоли , чтобы она распирала стенки клетки (тургорное давление). Клетки растений делают это путём запасания сахарозы. Увеличивая или уменьшая концентрацию сахарозы в цитоплазме, клетки могут регулировать осмос. За счёт этого повышается упругость растения в целом. С изменениями тургорного давления связаны многие движения растений (например, движения усов гороха и других лазающих растений). Пресноводные простейшие также имеют вакуоль, но задача вакуолей простейших заключается лишь в откачивании лишней воды из цитоплазмы для поддержания постоянной концентрации растворённых в ней веществ.
Осмос также играет большую роль в экологии водоёмов. Если концентрация соли и других веществ в воде поднимется или упадёт, то обитатели этих вод погибнут из-за пагубного воздействия осмоса.
Первая в мире электростанция - прототип, использующая для выработки электричества явление осмоса, запущена компанией Statkraft 24 ноября 2009 года в Норвегии вблизи города Тофте. Солёная морская и пресная вода на электростанции разделены мембраной ; так как концентрация солей в морской воде выше, между солёной водой моря и пресной водой фьорда развивается явление осмоса, - постоянный поток молекул воды через мембрану в сторону солёной воды. В результате чего давление солёной воды возрастает. Это давление соответствует давлению столба воды в 120 метров высотой, то есть достаточно высокому водопаду. Поток воды достаточен, чтобы приводить в действие гидротурбину, вырабатывающую энергию. Производство носит ограниченный характер, основная цель - тестирование оборудования. Самый проблематичный компонент электростанции - мембраны. По оценкам специалистов Statkraft мировое производство может составить от 1 600 до 1 700 TWh, что сравнимо с потреблением Китая в 2002. Ограничение связано с принципом действия - подобные электростанции могут быть построены только на морском побережье. Это не вечный двигатель, источником энергии является энергия солнца. Солнечное тепло отделяет воду от моря при испарении и посредством ветра переносит на сушу. Потенциальная энергия используется на гидроэлектростанциях , а химическая энергия долго оставалась без внимания.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :осмос - осмос, а … Русский орфографический словарь
ОСМОС, односторонняя диффузия РАСТВОРИТЕЛЯ (такого как вода) через естественную или искусственную полупроницаемую мембрану (перегородка, пропускающая только определенные растворенные вещества) в более концентрированный раствор. Из за того, что… … Научно-технический энциклопедический словарь
Свойство жидкостей соединяться, даже когда они разделены к. н. пористой перегородкой, также и самое это просачивание жидкостей. Полный словарь иностранных слов, вошедших в употребление в русском языке. Попов М., 1907. ОСМОС см. ЭНДОСМОС и… … Словарь иностранных слов русского языка
- (от греч. osmos толчок давление), односторонний перенос растворителя через полупроницаемую перегородку (мембрану), отделяющую раствор от чистого растворителя или раствора меньшей концентрации. Обусловлен стремлением системы к термодинамическому… … Большой Энциклопедический словарь
Осмоз Словарь русских синонимов. осмос сущ., кол во синонимов: 2 осмоз (1) электроосмос … Словарь синонимов
Осмос - (от греч. osmos толчок, давление) диффузия веществ в виде ионов через полупроницаемые клеточные мембраны. Осмос, направленный внутрь клеток, называется эндосмосом, наружу экзосмосом. Основной канал обмена веществ организмов с окружающей средой.… … Экологический словарь
осмос - – проникновение молекул растворителя через мембрану из растворителя в раствор или из раствора с меньшей концентрацией в раствор с большей концентрацией. Общая химия: учебник / А. В. Жолнин Осмос – диффузия растворителя через полупроницаемую… … Химические термины
- (от греческого osmos толчок, давление), самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую мембрану, не пропускающую растворённое вещество. Для того чтобы сохранить первоначальный состав раствора, необходимо приложить к раствору… … Современная энциклопедия
