Сущность процесса осмоса и его роль в биологических системах
Описание процесса осмоса через полупроницаемую мембрану. Понятие обратной диффузии растворителя. Уравнение Вант-Гоффа, зависимость осмотического давления от концентрации растворов. Механизм прямого осмоса в биологических системах, структура мембраны.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 14.12.2016 |
| Размер файла | 770,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Сущность процесса осмоса и его роль в биологических системах
Оглавление
Введение
1. Прямой осмос
1.1 Сущность процесса
1.2 Осмотическое давление
2. Механизм прямого осмоса в биологических системах
2.1 Структура биологической мембраны
2.2 Механизм прямого осмоса
3. Обратный осмос
Заключение
Список литературы
Введение
Явление осмоса лежит в основе обмена веществ всех живых организмов. Благодаря ему в каждую живую клетку поступают питательные вещества и, наоборот, выводятся шлаки. Явление осмоса наблюдается, когда два соляных раствора с разными концентрациями разделены полупроницаемой мембраной.
В настоящее время мембранная технология является одной из самых динамично развивающихся областей технологии. Она получила широкое распространение, как на промышленном, так и на бытовом уровне.
Основной областью применения мембранной технологии является водоочистка и водоподготовка, однако ее применение не ограничивается этим.
В химической и нефтехимической промышленности мембранные методы разделения используются для разделения углеводородов, смесей высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений, азеотропных смесей, смещения равновесия химических реакций путем удаления через мембрану одного из ее продуктов, концентрирование растворов, выделения гелия и водорода из природных газов, кислорода из воздуха и т.п.
В микробиологии и медицинской промышленности широкое применение мембранные методы находят в процессах выделения и очистки биологически активных веществ, вакцин, ферментов, гормонов, вирусов, очистки крови и решение других технологических задач.
Цель исследования - изучить сущность процесса осмоса и его роль в биологических системах.
1. Прямой осмос
1.1 Сущность процесса
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 (Рис. 1).
Рисунок 1. Прямой осмос
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 выровнять концентрацию раствора в обеих 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,
1.2 Осмотическое давление
Осмос можно объяснить тем, что концентрация молекул воды в единице объема в одном сосуде больше, чем в другом, или тем, что молекулы воды в растворе частично связываются молекулами сахара, гидратируя их. В разбавленных растворах осмос не зависит в явной форме от вида растворенного вещества и растворителя.
Решающее значение имеет концентрация раствора, точнее - число частиц растворенного вещества в единице объема.
Для исследования осмоса применяют специальный прибор (рис.2), состоящий из двух сосудов: внешнего и внутреннего.
Рисунок 2. Схематическое изображение прибора для исследования осмоса
Дно внутреннего сосуда изготавливают из полупроницаемой перегородки (пропускает растворитель, но не пропускает растворенное вещество, например целлофан).
В наружном сосуде - вода. Во внутреннем - раствор в воде. Из наружного сосуда вода будет переходить во внутренний. Во внутреннем сосуде ее уровень будет повышаться.
В результате повышается гидростатическое давление, под которым находится раствор во внутреннем сосуде. Вследствие этого скорость перехода воды из внутреннего сосуда во внешний возрастает. Наконец, при некоторой высоте столба раствора скорости прохождения воды из наружного сосуда во внутренний, и из внутреннего - в наружный сравняются, и подъем жидкости в трубке прекратится.
Давление, которое отвечает такому равновесию, может служить количественной характеристикой осмоса. Оно называется осмотическим давлением.
Осмотическим давлением называют давление, которое нужно приложить к раствору, чтобы привести его в равновесие с чистым растворителем, отделенным от него полупроницаемой перегородкой.
Анализируя результаты изучения осмотического давления, Я. Вант Гофф пришел к выводу, что растворенное вещество в очень разбавленных растворах ведет себя подобно тому, как если бы оно находилось в газообразном состоянии.
Отсюда возникла идея применения к ним законов идеальных газов. Тогда для раствора можно записать:
(1)
Заменяя n/V = с, получаем уравнение, названное законом Вант-Гоффа.
(2)
В этих уравнениях под п понимается осмотическое давление.
Линейная зависимость осмотического давления от концентрации для большинства растворов неэлектролитов сохраняется до концентраций порядка 10-2 моль/л.
Получим уравнение Вант-Гоффа исходя из термодинамических представлений. Растворитель будет проникать через полупроницаемую перегородку до тех пор, пока не установиться равновесие.
(3)
Уравнение Вант-Гоффа показывает, что осмотическое давление равно тому давлению, которое производило бы растворенное вещество, если бы оно в виде идеального газа занимало тот же объем, что и в растворе при той же температуре.
Осмотическое давление имеет очень большое значение в процессах жизнедеятельности различных организмов, определяя распределение растворенных веществ и воды в тканях. Осмотическое давление крови у человека составляет примерно 8.1 105 Па (8 атм.).
При уменьшении в организме содержания воды возникает чувство жажды, утоление которой восстанавливает водно-солевое равновесие и осмотическое давление крови.
От осмотического давления зависит, так называемая, сосущая сила клетки, достигая у семян при 6% влажности величины в 4.04 107 (400 атм.), что обеспечивает необходимое для прорастания поглощение воды даже из сравнительно сухой почвы.
Из (3) видно, что величина осмотического давления определяется лишь концентрацией растворенного вещества, и не зависит от природы раствора, что и позволяет отнести этот эффект к коллигативным свойствам.
Рассмотрим еще два свойства подобного рода: понижение точки замерзания (затвердевания) вещества и повышение температуры кипения.
Разность температур замерзания растворителя и раствора называют понижением точки замерзания.
Разность температур кипения раствора и растворителя называют повышением температуры кипения раствора Ткип.
Оба этих свойства находятся в полном согласии с принципом Ле-Шателье. Чтобы продемонстрировать сказанное, рассмотрим равновесную систему, состоящую из двух фаз: твердое вещество А и жидкий раствор вещества В, в котором А является растворителем.
Увеличим концентрацию раствора, т.е. содержание компонента В в жидкой фазе. Согласно принципу Ле-Шателье, в системе должны усилится процессы стремящиеся ослабить произведенное воздействие. В данном случае, это означает, что в системе должны усилится процессы, которые смогут уменьшить концентрацию раствора.
Для рассматриваемой системы, такое возможно лишь за счет перехода части растворителя из твердого состояния в жидкое. Однако, если при данной температуре происходит переход вещества из твердого состояния в жидкое, то эта температура выше точки замерзания. Следовательно, точка замерзания раствора при увеличении концентрации раствора понизилась.
Аналогично, исходя из принципа Ле-Шателье, можно обосновать повышение температуры кипения раствора нелетучего вещества.
Для этого рассмотрим двухфазную систему пар - жидкий раствор. Пусть система находится в равновесии; и пусть одна фаза представляет собой пар вещества А, а другая - жидкий раствор вещества В в А.
Увеличим концентрацию раствора (концентрацию В в А). Согласно принципу Ле-Шателье, это должно инициировать процессы, позволяющие нивелировать, произведенное увеличение концентрации.
Здесь к таким процессам относится конденсация растворителя из паровой фазы. Нетрудно понять, что конденсация приведет к понижению давления пара.
Понижение давления насыщенного пара повышает температуру кипения. Кипение жидкости наступает тогда, когда давление насыщенного пара над жидкостью сравнивается с внешним давлением.
Над раствором давление насыщенного пара понижается. Это означает, что для достижения указанного равенства давлений раствор необходимо дополнительно нагреть. Отсюда утверждение о повышении температуры кипения раствора в сравнении с чистым веществом.
Эффект повышения температуры кипения можно объяснить и иначе (рис.3).
Рисунок 3. Повышение температуры кипения
Действительно, в тех случаях, когда растворенное вещество имеет пренебрежимо малое давление пара, давление пара раствора равно давлению пара растворителя. Для идеальных растворов давление пара растворителя определяется законом Рауля:
(4)
где индексы «А» и «В» относятся к растворителю и растворенному веществу, соответственно.
Из (4) следует, что при возрастании хв давление насыщенного пара уменьшается, а значит, температура кипения возрастает.
Все сказанное демонстрирует рисунок, отражающий зависимость давления насыщенного пара над веществом от температуры.
Кипение наступает при равенстве давления насыщенного пара над жидкостью давлению внешнему (атмосферному).
Чтобы найти температуры кипения чистого растворителя и растворов, достаточно найти точки пересечения изобары при р = 1,013 10-5 Па с кривыми диаграммы состояния в координатах р - Т (см. рис.1). Из рисунка можно видеть, что раствор кипит при более высокой температуре, чем чистый растворитель.
осмос биологический мембрана диффузия
2. Механизм прямого осмоса в биологических системах
Дрожжевая клетка, локализованная в дрожжевой суспензии, представляет собой систему, состоящую из двух фаз, разграниченных клеточной стенкой дрожжевой клетки - полупроницаемой мембраной.
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, обусловленную 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 полупроницаемость 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. 4).
Рисунок 4. 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)
2.1 Структура 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 клетк одна из основных причин непроходимости для тех молекул растворённых веществ, для которых связанная вода практически не является растворителем. Если диаметр d пор мембраны d<2tc+dг.и. (где dг.и. - 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. 5), в том числе и крупные, превышающие величину 2tc+dг.и., а связанная вода хоть и в очень малых количествах все же обладает растворяющей способностью.
Рисунок 5. 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.
2.2 Механизм 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 собой 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. 6)
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 иондипольного 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).
Рисунок 6. 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. 7).
Рисунок 7. 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 следовательно, 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.
3. Обратный осмос
В случае, когда на раствор с большей концентрацией воздействует внешнее давление, превышающее осмотическое, молекулы воды начнут двигаться через полупроницаемую мембрану в обратном направлении, то есть из более концентрированного раствора в менее концентрированный. Этот процесс называется "обратным осмосом". По этому принципу и работают все мембраны обратного осмоса.
В процессе обратного осмоса вода и растворенные в ней вещества разделяются на молекулярном уровне, при этом с одной стороны мембраны накапливается практически идеально чистая вода, а все загрязнения остаются по другую ее сторону.
Рисунок 8. Обратный осмос
Таким образом, обратный осмос обеспечивает гораздо более высокую степень очистки, чем большинство традиционных методов фильтрации, основанных на фильтрации механических частиц и адсорбции ряда веществ с помощью активированного угля.
В системах обратного осмоса бытового назначения давление входной воды на мембрану соответствует давлению воды в трубопроводе. В случае, если давление возрастает, поток воды через мембрану также возрастает.
На практике, мембрана не полностью задерживает растворенные в воде вещества. Они проникают через мембрану, но в ничтожно малых количествах. Поэтому очищенная вода все-таки содержит незначительное количество растворенных веществ. Важно, что повышение давления на входе не приводит к росту содержания солей в воде после мембраны. Наоборот, большее давление воды не только увеличивает производительность мембраны, но и улучшает качество очистки. Другими словами, чем выше давление воды на мембране, тем больше чистой воды лучшего качества можно получить.
В процессе очищения воды концентрация солей со стороны входа возрастает, из-за чего мембрана может засориться и перестать работать. Для предотвращения этого вдоль мембраны создается принудительный поток воды, смывающий "рассол" в дренаж.
Эффективность процесса обратного осмоса в отношении различных примесей и растворенных веществ зависит от ряда факторов. Давление, температура, уровень pH, материал, из которого изготовлена мембрана, и химический состав входной воды, влияют на эффективность работы систем обратного осмоса.
Неорганические вещества очень хорошо отделяются обратноосмотической мембраной. В зависимости от типа применяемой мембраны (ацетатцеллюлозная или тонкопленочная композитная) степень очистки составляет по большинству неорганических элементов 85%-98%.
Мембрана обратного осмоса также удаляет из воды и органические вещества. Органические вещества с молекулярным весом более 100-200 удаляются полностью; а с меньшим - могут проникать через мембрану в незначительных количествах. Большой размер вирусов и бактерий практически исключает вероятность их проникновения через мембрану.
В то же время, мембрана пропускает растворенные в воде кислород и другие газы, определяющие ее вкус. В результате, на выходе системы обратного осмоса получается свежая, вкусная, настолько чистая вода, что она, строго говоря, даже не требует кипячения.
Заключение
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 высокоминерализованной воды методом обратного осмоса жидкостей.
Клетки растений используют осмос также для увеличения объёма вакуоли, чтобы она распирала стенки клетки (тургорное). 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 поддерживания постоянной концентрации растворимых в ней веществ. Осмос также играет большую роль в экологии водоёмов.
Список литературы
1. Дытнерский, Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация / Ю. И. Дытнерский - М.: Химия, 1978. - 352 с
2. Латыпов, И.А. Исследование механизма самопроизвольных осмотических процессов массопереноса в системах биологического происхождения / И.А. Латыпов, М.К. Герасимов // ВестникКазан. технол. ун-та. - 2008. - №3. - С.85-91
3. Муштаев, В.И. Сушка дисперсных материалов / В.И. Муштаев, В.М. Ульянов - М.: Химия, 1988. - 351 с.
4. Уильямс, В. Физическая химия для биологов / В. Уильямс, Х. Уильямс. - М.:Мир, 1976. - 600 с.
5. Чураев, Н.В. Физикохимия процессов массопереноса в пористых телах / Н.В. Чураев - М.: Химия, 1990. - 271 с.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Принцип детального равновесия. Детерминизм классической механики. Броуновское движение молекул. Интегрирование уравнения Ланжевена. Коэффициент диффузии мембраны. Ориентация молекул по разные стороны от мембраны. Модель жидкокристаллического осмоса.
статья [1,7 M], добавлен 23.06.2012Пассивный и активный транспорт веществ через мембранные структуры. Транспорт неэлектролитов путем простой и облегченной диффузии. Пассивный перенос неэлектолитов через биомембраны, уравнение Рика. Молекулярный механизм активного транспорта ионов.
курсовая работа [87,5 K], добавлен 25.02.2011История открытия физического явления диффузия. Экспериментальное определение постоянных Больцмана и Авогадро. Закономерности броуновского движения. Схема диффузии через полупроницаемую мембрану. Применение физического явления диффузия в жизни человека.
реферат [336,4 K], добавлен 21.05.2012Определение плотности потока формамида через плазматическую мембрану Chara ceratophylla толщиной 8 нм. Расчет коэффициента проницаемости плазматической мембраны Mycoplasma для формамида. Уравнение Фика для диффузии. Расчет потенциала Нернста для ионов.
контрольная работа [286,8 K], добавлен 09.01.2015Ионная природа мембранных потенциалов. Потенциал покоя, уравнение Нернста. Стационарный потенциал Гольдмана-Ходжкина. Уравнение электродиффузии ионов через мембрану в приближении однородного поля. Механизм генерации и распространения потенциала действия.
реферат [158,6 K], добавлен 16.12.2015Раздел физики низких температур, изучающий закономерности изменения свойств веществ в условиях криогенных температур. Рабочее тело в криогенных системах. Восстановление биологических функций после размораживания. Температура конденсации природного газа.
презентация [236,3 K], добавлен 10.08.2013Определение теплоты сгорания топлива, объемов продуктов сгорания. Определение коэффициента теплоотдачи в теплообменнике. Уравнение теплового баланса для контактного теплообменника. Подбор и расчет газогорелочных устройств в системах теплогазоснабжения.
курсовая работа [243,8 K], добавлен 07.04.2015Сканирующий туннельный микроскоп, применение. Принцип действия атомного силового микроскопа. Исследование биологических объектов – макромолекул (в том числе и молекул ДНК), вирусов и других биологических структур методом атомно-силовой микроскопии.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 28.04.2014Расчет профиля диффузии сурьмы в кремнии, определение основных параметров этого процесса. Использование феноменологической модели диффузии. Влияние параметров на глубину залегания примеси. Численное решение уравнения диффузии по неявной разностной схеме.
курсовая работа [4,7 M], добавлен 28.08.2010Описание экспериментальной установки, принцип измерения давления воздуха и определение его оптимального значения. Составление журнала наблюдения и анализ полученных данных. Вычисление барометрического давления аналитическим и графическим методом.
лабораторная работа [59,4 K], добавлен 06.05.2014
