Прямой и обратный осмос. Ультрафильтрация

 

Если сосуд разделить полупроницаемой мембраной и слева налить раствор любого вещества, а справа – чистый растворитель, то будет наблюдаться явление переноса чистого растворителя в раствор и достраивание гидратных оболочек (если растворитель вода). Чем выше концентрация растворенного вещества в сосуде слева, тем больше молекул воды должно перейти через мембрану в раствор.

Количественно этот перенос выражается величиной осмотического давления0):

Р0 = C*R*T,

где С– массовая концентрация растворенного вещества; R – газовая постоянная; Т – абсолютная температура.

Если осмотическое давление (Р0) превышает гидравлическое (Рr), то происходит прямой осмос. Если же Р0 = Рr, то наступает равновесие и диффузия через мембрану прекращается.
При приложении к раствору рабочего давления, превышающего осмотическое, т.е. Рr > Р0, начинается перенос молекул воды слева направо, т.е. происходит дегидратация раствора, концентрирование растворенного вещества и получение чистой воды в правой половине сосуда. Этот механизм называется обратным осмосом.

осмос

Обратный осмос по механизму близок к ультрафильтрации. Но между процессами обратного осмоса и ультрафильтрации имеются различия. Так, при обратном осмосе разделение низкомолекулярных веществ происходит при рабочем давлении до 0,7-14 МПа в связи с большим осмотическим давлением в этих растворах. При обратном осмосе используются мембраны с очень маленькими размерами пор.

При ультрафильтрации происходит разделение высоко- и низкомолекулярных соединений (например, ферментов). Рабочее давление в этом случае низкое (от 0,07 до 0,7 МПа) в связи с невысоким осмотическим давлением. Величина пор мембран значительно больше.

Названные отличия условны. Механизм процессов обратного осмоса и ультрафильтрации пока недостаточно изучен.

Мембраны в ультрафильтрационных установках являются главным элементом, которые должны отвечать определенным требованиям, иначе процесс очистки и концентрирования может не пройти. Мембраны должны быть высокопроницаемыми и селективными, устойчивыми к действию разделяемых растворов, механически прочными. Они должны обладать низкой адсорбцией к разделяемым веществам и невысокой стоимостью. По этим показателям считаются лучшими полимерные мембраны.

В процессах ультрафильтрации используются мембраны из целлофана, каучука, полиэтилена, полистирола, целлюлозы и их производных (ацетатцеллюлозы), полифенола, металлокерамики с осажденным на ней слоем графита, пористого стекла и т.д.