Явление осмоса. Что такое обратный осмос и как он применяется Осмотическая функция
ТЕХНОЛОГИЯ И АППАРАТЫ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ
УДК 66.021.3:577.352.4:577.356
И. А. Латыпов, М. К. Герасимов ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА САМОПРОИЗВОЛЬНЫХ ОСМОТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА В СИСТЕМАХ БИОЛОГИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Рассмотрены основные факторы формирования механизма самопроизвольных осмотических процессов массопереноса в системах биологического происхождения, представлена физическая модель прямого осмоса.
Изучению механизма мембранных процессов посвящено множество исследований, обубликованно большое количество статей и монографий. Однако, как правило, опубликованные результаты исследований преимущественно направлены на изучение обратноосмотических процессов в системах с искусственными полупроницаемыми мембранами. В то же время исследованию самопроизвольных осмотических процессов массопереноса в системах естественного происхождения уделено значительно меньше внимания, а существующая база знаний об этих процессах крайне разрозненна и зачастую носит характер сведений фундаментальной науки. Именно поэтому обобщение, анализ и систематизация этой информации крайне важна как для общего понимания самопроизвольных осмотических процессов, происходящих в системах с естественными полупроницаемыми мембранами, так и для применения полученной совокупности сведений на практике.
Рассмотрим механизм самопроизвольного осмотического процесса массопереноса, так называемого явления прямого осмоса, в системах с естественными мембранами, выбрав в качестве объекта исследования дрожжевую клетку, локализованную в дрожжевой суспензии, при этом уделив особое внимание факторам, вносящим наибольший вклад в формирование процесса: формам связи влаги в системе и структуре полупроницаемой клеточной мембраны.
ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМ СВЯЗИ ВЛАГИ В ДРОЖЖЕВОЙ КЛЕТКЕ, ЛОКАЛИЗОВАННОЙ В ДРОЖЖЕВОЙ СУСПЕНЗИИ
Формы связи влаги в этой системе играют существенную роль в формировании механизма прямого осмоса и фактически обусловливают полупроницаемость клеточной мембраны.
Классификацию форм связи влаги подобной двухфазной системы, разделённой биологической мембраной, рассмотрим с точки зрения классификации форм связи влаги, предложенной П. А. Ребиндером , которая позволяет учитывать как природу образования различных форм связи, так и энергию связи их с материалами.
В соответствии с точкой зрения этой классификации влагу, локализованную внутри дрожжевой клетки, необходимо рассматривать как осмотически удерживаемую влагу, обу-
словленную избирательной диффузией воды из окружающей среды. Осмотически удерживаемая влага характеризуется энергией связи слабой интенсивности, по своим свойствам не отличается от обычной воды и обладает способностью свободно диффундировать через клеточные мембраны под воздействием разности концентраций внутри и вне клеток.
К категории внутриклеточной влаги можно отнести и влагу, иммобилизованную в капиллярах клеточной стенки дрожжевой клетки - капиллярную влагу, которая играет существенную роль в механизме перераспределения влаги и фактически обусловливает по-лупроницаемость биомембраны.
Так, из анализа научной литературы известно, что влага, локализованная в капиллярах диаметром более 10-7 м (влага макрокапилляров), не имеет связи с материалом и может свободно перемещаться в процессе диффузии.
В свою очередь влага, локализованная в капиллярах диаметром менее 10-7 м (влага микрокапилляров) и обусловленная адсорбционной связью полимолекулярного слоя вблизи стенок капилляра, и не является свободной. Такая влага не участвует в диффузионных процессах ввиду особых свойств характерных для связанной влаги.
Как правило, адсорбционно-связанная влага, иммобилизованная на поверхности биомембраны в виде поверхностного мономолекулярного слоя адсорбированной воды (гидратной оболочки), также не участвует в процессах перераспределения влаги ввиду высоких значений энергии связи молекул воды с поверхностью биомембраны. Последующие слои адсорбционно-связанной жидкости (полимолекулярная адсорбция) удерживаются менее прочно и могут вовлекаться в диффузионные процессы.
Химически связанная влага не играет существенной роли в формировании механизма перераспределения влаги, поскольку количество её незначительно, а связи ионной и молекулярной природы очень прочны.
Таким образом, в формировании механизма прямого осмоса - перераспределения влаги через биомембрану дрожжевой клетки - участвуют осмотически удерживаемая влага, влага макрокапилляров, а также свободная избыточная внеклеточная влага, локализованная в межклеточном пространстве дрожжевой биомассы (рис. 1).
Рис. 1 - Формы связи влаги в дрожжевой клетке, локализованной в дрожжевой суспензии: 0 - химически связанная влага; 1 - осмотически удерживаемая влага (свободная внутриклеточная влага); 2 - свободная влага капилляров (влага макрокапилляров); 3 - связанная влага капилляров (влага микрокапилляров); 4 - адсорбционно-связанная влага; 5 - свободная внеклеточная влага (избыточная межклеточная влага)
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ МЕМБРАНЫ
Структура полупроницаемой клеточной мембраны дрожжевой клетки, представляющей собой капиллярно-пористое тело, играет ключевую роль в формировании механизма прямого осмоса - осмотически обусловленного самопроизвольного процесса перераспределения влаги из внутриклеточной среды дрожжевой клетки в межклеточное пространство при внесении в дрожжевую суспензию осмоиндуцирующего компонента (как правило, электролита).
Так, существенную роль в формировании механизма перераспределения играет система пор (капилляров) клеточной стенки биологической мембраны, которая является полупроницаемой, то есть низкоселективной для молекул воды и высокоселективной для гидратированных ионов осмоиндуцирующего компонента.
Исходя из представлений о строении растворов и результатов экспериментов , можно утверждать, что на селективность и проницаемость мембран влияет гидратирующая способность ионов.
Явление гидратации заключается в том, что ионы, растворного вещества окружены растворителем и движутся с некоторой его частью, вступающей с ним во взаимодействие. При этом может наблюдаться как первичная, так и вторичная гидратация. Первичная гидратация заключается в прочном связывании ионов молекулы воды, вплоть до образования донорно-акцепторных связей. Вторичная - представляет собой электростатическое взаимодействие молекул воды с первично гидратированными ионами.
Молекулы воды, расположенные в непосредственной близости от ионов растворённых веществ, образуют гидратную оболочку, число молекул в которой характеризует координационное число гидратации.
Электростатическое взаимодействие не является единственной причиной гидратации - последняя может быть обусловлена и химическими силами.
Учитывая сказанное выше и основываясь на современных представлениях о связанной жидкости, процесс селективной проницаемости мембраны дрожжевой клетки по отношению к водным растворам электролитов можно представить следующим образом.
На поверхности и внутри пор (капилляров) клеточной мембраны дрожжевой клетки, локализованной в дрожжевой суспензии, возникает слой связанной воды. Вода на границе раздела фаз мембрана-раствор по своим свойствам отличается от воды в свободном состоянии. Например, связанная вода в значительной мере теряет растворяющую способность, поэтому наличие связанной воды в порах клеточной мембраны дрожжевой клетки одна из основных причин непроходимости для тех молекул растворённых веществ, для которых связанная вода практически не является растворителем. Если диаметр б пор мембраны б<2^+бги. (где бги. - диаметр гидратированного иона), то через такую мембрану будет проходить только или преимущественно вода, что и обуславливает селективность (полупроницаемость) клеточной мембраны дрожжевой клетки.
Однако если для искусственных мембран, диаметр пор которых не превышает диаметра гидратированного иона, характерна 100 % селективность, то селективность биологических мембран никогда не достигает 100 %, так как реальные мембраны имеют поры различного диаметра (рис. 2), в том числе и крупные, превышающие величину 2^+бги, а связанная вода хоть и в очень малых количествах все же обладает растворяющей способностью.
Межклеточная среда Фаза 1
Внутриклеточная среда Фаза 2
Рис. 2 - Схема механизма полупроницаемости биологических мембран
Таким образом, ключевую роль в формировании механизма прямого осмоса играет структура биологической мембраны дрожжевой клетки, полупроницаемость которой обусловлена:
1) наличием связанной воды в порах мембраны;
2) образованием в межклеточной фазе гидратированных ионов - крупных конгломератов ионов растворённого вещества с молекулами воды.
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ПРЯМОГО ОСМОСА
Дрожжевая клетка, локализованная в дрожжевой суспензии, представляет собой систему, состоящую из двух фаз, разграниченных клеточной стенкой дрожжевой клетки -полупроницаемой мембраной.
При погружении в дрожжевую суспензию осмоиндуцирующего компонента, например хлорида натрия, происходит распад соли на множество микроскопических кристаллов.
Микрокристаллы, несущие в структуре своей кристаллической решётки как положительно заряженные ионы натрия, так и отрицательно заряженные ионы хлора, начинают испытывать силы ион-дипольного взаимодействия со стороны молекул воды. В процессе такого взаимодействия к положительно заряженным ионам натрия молекулы воды притягиваются своими отрицательными полюсами, а к отрицательно заряженным ионам хлора -положительными. Однако если ионы притягивают к себе молекулы воды, то и молекулы воды притягивают к себе ионы. В то же время притянутые молекулы воды испытывают толчки со стороны непритянутых молекул воды, находящихся в тепловом движении. Этих толчков, а также тепловых колебаний самих ионов оказывается достаточным для того, чтобы преодолеть силы, удерживающие ионы натрия или хлора в структуре кристаллической решётки монокристалла, и перевести их в раствор.
Вслед за первым слоем ионов в раствор переходит следующий слой и таким образом идет постепенное растворение микрокристалла. Перешедшие в раствор ионы остаются связанными с молекулами воды и образуют гидраты ионов, которые в значительной степени затрудняют обратную ассоциацию ионов с микрокристаллом. Таким образом, с физической точки зрения процесс растворения соли в дрожжевой суспензии фактически представляет со-
бой процесс гидратации ионов осмоиндуцирующего компонента, сопровождающийся последующей его диссоциацией и образованием в растворе (межклеточной среде дрожжевой суспензии) множества ионов, окружённых гидратными оболочками (гидратированных ионов).
Поскольку биомембрана дрожжевой клетки является полунепроницаемой, компоненты рассматриваемой системы не являются изолированными друг от друга, поэтому при растворении соли в дрожжевой суспензии (погружении осмоиндуцирующего компонента в межклеточную среду дрожжевой суспензии) силы ион-дипольного взаимодействия между микрокристаллами и молекулами воды испытывают не только молекулы воды, находящиеся в межклеточном пространстве (фаза 1), но и молекулы воды, локализованные во внутриклеточном пространстве дрожжевой клетки (фаза 2). Следовательно, можно предположить, что хаотичное тепловое движение молекул в результате взаимодействия молекул воды и ионов осмоиндуцирующего компонента, происходит во всей системе в направлении более высокой концентрации монокристаллов (более высокого химического потенциала), то есть наблюдается перераспределение влаги из внутриклеточной среды (фаза 1) в межклеточную среду (фаза 2).
Так как компоненты двухфазной системы не изолированы друг от друга, опираясь на вышеизложенные умозаключения, а также учитывая стремление любой системы к равновесию, было бы логичным предположить, что движение молекул воды в системе должно происходить и в обратном направлении, то есть из межклеточной среды во внутриклеточную. Однако подобного явления не наблюдается в силу особых свойств структуры клеточной мембраны и определённой специфики форм связи влаги в дрожжевой клетке, рассмотренных выше.
Гидратированные ионы, образовавшиеся в процессе ион-дипольного взаимодействия ионов осмоиндуцирующего компонента и молекул воды, являются достаточно крупными структурными образованиями и уже не могут покинуть межклеточное пространство (фазу 1). Таким образом, мы можем наблюдать ситуацию, когда число молекул воды, движущихся из фазы 1 в фазу 2, в значительной степени превалирует над числом молекул воды, движущихся в обратном направлении в силу того, что часть молекул воды, локализованных в межклеточном пространстве, не могут покинуть её в составе образовавшегося конгломерата иона осмоиндуцирующего компонента и воды (гидратированного иона).
При этом величина объёмного потока из фазы 2 в фазу 1 в значительной степени превалирует над величиной объемного потока в обратном направлении и в силу различной подвижности молекул воды и гидратированных ионов осмоиндуцирующего компонента , то есть фактически мы наблюдаем эффект перераспределения части внутриклеточной влаги в межклеточное пространство (рис. 3)
Подобный переход влаги через полупроницаемую мембрану дрожжевой клетки в межклеточное пространство будет продолжаться до тех пор пока:
а) в межклеточном пространстве дрожжевой суспензии будут присутствовать частицы способные оказывать влияние на процесс перераспределения, то есть вплоть до полной диссоциации осмоиндуцирующего компонента и образования максимально возможного числа гидратированных ионов (в случае низкой концентрации вносимого осмоиндуцирующего компонента);
б) присутствующие в системе молекулы воды будут обладать достаточной для ион-дипольного взаимодействия энергией и степенью свободы (в случае высокой концентрации вносимого осмоиндуцирующего компонента);
в) величина химического потенциала в межклеточной фазе в результате перераспределения влаги не достигнет минимально возможного показателя (в случае полного перераспределения влаги из внутриклеточного пространства в межклеточное).
Рис. 3 - Схема перераспределения внутриклеточной влаги в межклеточное пространство через полупроницаемую мембрану дрожжевой клетки при погружении в дрожжевую суспензию осмоиндуцирующего компонента
Следствием подобного перераспределения влаги является постепенное возникновение градиента давления - осмотического давления, приводящего к физической деформации клеточной стенки дрожжевой клетки и её сжатию - плазмолизу (рис. 4).
Рис. 4 - Изменение формы и размера дрожжевой клетки при погружении в дрожжевую суспензию осмоиндуцирующего компонента
Погружение осмоиндуцирующего компонента непосредственно в дрожжевую суспензию позволяет создать условия для индуцирования в системе максимально возможного числа частиц способных оказывать влияние на процесс перераспределения, а следователь-
но, обеспечить максимальную эффективность осмотического процесса. В тоже время погружение дрожжевой суспензии в готовый раствор осмоиндуцирующего компонента даёт минимальный осмотический эффект ввиду отсутствия в готовом растворе частиц способных оказывать влияние на процесс перераспределения, то есть если в первом случае процесс перераспределения влаги в биологической системе формируется за счёт совокупного эффекта концентрационного электроосмоса и капиллярного осмоса, то во втором - исключительно за счёт эффекта концентрационного электроосмоса.
Рассмотренная капиллярно-фильтрационная модель перераспределения влаги через полупроницаемую мембрану фактически отображает физическую модель явления прямого осмоса и позволяет достаточно детально представить процессы, происходящие как внутри, так и вне дрожжевой клетки в процессе перераспределения, а также объяснить природу самого явления.
Представленная физическая модель прямого осмоса с достаточно высокой адекватностью репрезентируема в математическую модель и позволяет достичь высокой степени эффективности регулирования осмотических процессов массопереноса в биологических системах в промышленных масштабах.
Литература
1. Муштаев, В.И. Сушка дисперсных материалов / В.И. Муштаев, В.М. Ульянов - М.: Химия, 1988. - 351 с.
2. Дытнерский, Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация / Ю. И. Дытнерский - М.: Химия, 1978.- 352 с
3. Чураев, Н.В. Физикохимия процессов массопереноса в пористых телах / Н.В. Чураев - М.: Химия, 1990. - 271 с.
© И. А. Латыпов - асп. каф. оборудования пищевых производств КГТУ; М. К. Герасимов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры.
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 Н 2 О. Оболочка клетки полупроницаема и через нее достаточно свободно проходит вода.
Ионы электролитов и молекулы других веществ оболочка пропускает строго избирательно.
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.
Кровь, лимфа, тканевые жидкости человека представляют собой водные растворы молекул и ионов многих веществ и обладают вследствие этого определенным осмотическим давлением. Причем на протяжении всей жизни организма биологические жидкости сохраняют свое давление на постоянном уровне независимо от состояния внешней среды. Это явление называется иначе изоосмией человеческого организма и является составной частью более общего процесса – гомеостаза или постоянства ряда физико-химических показателей внутренней среды человека в изменяющихся внешних условиях.
Изоосмия особенно присуща таким биологическим жидкостям как кровь и лимфа. Так осмотическое давление крови у человека практически постоянно и при 37 о С изменяется в пределах 740-780 кПа (т.е., почти в 8 раз больше атмосферного).
Осмотическое давление крови у разных живых организмов неодинаково. Так у лягушек оно ниже, чем у человека, а у некоторых морских животных, наоборот, больше.
При изменении осмотического давления крови организм стремится восстановить его, удалив из крови избыточное количество растворенных частиц (если давление повышается) или, наоборот, увеличивая число кинетически активных частиц (если давление понижается). Основную роль в регуляции осмотического давления крови играют почки. В меньшей степени в сохранении изоосмии участвуют ткани печени и подкожной клетчатки. Они способны накапливать избыточные количества солей. При поражении почек вклад подкожной клетчатки в поддержание осмотического давления резко увеличивается. Содержание солей в ее клетках возрастает, что приводит вследствие осмоса к значительному увеличению объема клеток и появлению отечности.
Изоосмия регулируется, прежде всего, центральной нервной системой и деятельностью желез внутренней секреции.
Отклонение осмотического давления крови от нормы вызывает болезненное состояние. Так при его понижении наблюдается рвота, судороги, затемнение сознания. Повышение осмотического давления сопровождается отечностью, нарушением сердечной деятельности.
В некоторых случаях изменение осмотического давления в ограниченных участках тканей могут быть довольно большими. Так при локальных воспалительных процессах белковые молекулы в клетках распадаются на массу более мелких фрагментов, увеличивая тем самым число растворенных частиц в них. Вода из окружающих тканей и сосудов устремляется в эти клетки и значительно увеличивает их объем. При этом в районе воспалительного очага возникает опухоль. При ее разрезе или проколе гнойная жидкость вытекает из нее под большим давлением.
Растворы, осмотическое давление которых равно осмотическому давлению раствора принятого за стандарт, называются изотоническими . В медицине осмотическое давление растворов сравнивают с осмотическим давлением крови. Изотоническими по отношению к крови являются 0,9% (0,15 М) растворNaClи 4,5-5% раствор глюкозы. В этих растворах концентрация частиц растворенного вещества такая же, как и в плазме крови. Отличие состоит лишь в том, что в состав крови входит не толькоNaClили глюкоза, но и целый ряд других веществ. Их суммарная концентрация носит названиеосмолярности (изотонической концентрации ) и представляет собой химическое количество всех кинетически активных (т.е., способных к самостоятельному движению) частиц (независимо от их формы, размеров и природы), содержащихся в 1 литре плазмы крови.
Осмолярная концентрация крови у человека составляет 0,287-0,303 моль/л.
Изотонические растворы NaClи глюкозы называют частофизиологическими растворами . Хотя в настоящее время этот термин для них признан неудачным, т.к. строго говоря, истинным физиологическим раствором является раствор по своему количественному и качественному составу максимально приближенный к плазме крови.
Растворы, обладающие более высоким осмотическим давлением, чем плазма крови, называются гипертоническими , а растворы, имеющие более низкое давление – гипотоническими .
При различных лечебных процедурах в кровь человека в больших количествах следует вводить только изотонические растворы, чтобы не вызвать осмотический конфликт из-за резкого несоответствия между осмотическим давлением биологической жидкости и вводимого раствора.
При контакте клетки с гипертоническим раствором происходит отток воды из клетки через мембрану в окружающую среду. Клетка при этом теряет свою упругость, вследствие обезвоживания и уменьшается в объеме (сморщивается). Нормальное течение физических и химических процессов в ней нарушается (рис. 25).
Рис. 25. Схематическое изображение процессов плазмолиза (а) и лизиса (б), протекающих в результате помещения клетки, соответственно, в гипертонический или гипотонический растворы.
Данное явление называется плазмолизом илиэкзосмосом .
Плазмолиз в большинстве случаев является обратимым процессом. Плазмолизированные клетки, помещенные в изотонический раствор, вновь набухают, восстанавливая свою жизнедеятельность. Но при слишком сильном и продолжительном обезвоживании клетка может потерять свою жизнеспособность.
При контакте с гипотоническим раствором вода из внешней среды переходит внутрь клетки. В результате этого увеличивается, и может произойти разрыв ее оболочки. Данное явление называется лизисом или эндосмосом (рис. 25).
Если в качестве клеточной культуры использовать эритроциты, то вследствие разрыва их оболочек внешняя среда окрасится гемоглобином в красный цвет. В этом случае данное явление называют иначе гемолизом (илиэритроцитолизом ).
Гемолиз является частным случаем более общего явления – цитолиза (разрушения животных и растительных клеток под влиянием различных причин).
В крови разрушение оболочки у всех эритроцитов наступает если ее осмотическое давление снижается до 260-300 кПа. Цвет крови при этом частично изменяется и принимает характерный, «лаковый» оттенок.
В клинической практике в некоторых случаях могут применяться не только изотонические, но и гипертонические растворы. Например, в хирургии используют марлевые полоски, смоченные в гипертоническом растворе NaClдля наложения на гнойные раны. При этом вследствие осмоса ток жидкости направляется по марле наружу из раны, что способствует постоянному очищению раны от гноя, микроорганизмов, продуктов распада и т.д. (рис. 26).
Рис. 26. Принцип применения гипертонических повязок для очистки пораженных тканей от гноя и продуктов распада
Гипертонические растворы вводят внутривенно при глаукоме, чтобы снизить внутриглазное давление из-за повышенного содержания жидкости в передней камере глаза.
Явлением осмоса объясняют слабительное действие глауберовой (Na 2 SO 4 · 10H 2 O) и горькой (MgSO 4 · 7H 2 O) солей.
Эти соли плохо всасываются в кровь и поэтому их высокая концентрация в кишечнике вызывает интенсивный переход воды внутрь него из окружающих тканей, способствуя послабляющему действию.
Многие бактериальные клетки имеют высокое осмотическое давление. При действии антибиотиков (например, пенициллина) ингибируется процесс биосинтеза стенок растущих стрептококков. Они становятся непрочными и под действием внутреннего осмотического давления легко разрушаются.
Таким образом, понимание и контроль осмотических процессов, а также умение оказывать на их протекание то или иное воздействие имеет крайне важное значение в биологии и медицине.
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.
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.
