Dyfuzja Przepływu Objętościowego, Osmoza i Odwrócona Osmoza: Różnice i Mechanizmy
- Szczegóły
Techniki membranowe pozwalają na separację zanieczyszczeń o wymiarach cząstek i cząsteczek na poziomie molekularnym lub jonowym. Są to procesy nowe, natomiast w ostatnich latach obserwuje się ich szybki rozwój. Techniki membranowe są tematem wielu prac badawczych, których postępy czynią zastosowanie tych technik w ochronie środowiska realnymi technicznie i korzystnymi ekonomicznie. Procesy separacji membranowej i reaktory membranowe są dzisiaj technikami o szerokiej gamie zastosowań.
Techniki membranowe charakteryzuje proces separacji, który przebiega dzięki obecności membrany. Transport przez membranę zachodzi dzięki zastosowaniu odpowiedniej siły napędowej. Siłą napędową transportu masy przez membranę jest różnica potencjałów chemicznych Δμ po obu stronach membrany. Ta różnica (Δμ) może być wywołana: różnicą ciśnień (ΔP), stężeń (ΔC), temperatury (ΔT), potencjału elektrycznego (ΔE) po obu stronach membrany. W technikach membranowych transport cząsteczek zostaje więc wywołany różnicą potencjałów chemicznych po obu stronach membrany.
Przepływ objętościowy roztworu jp [dm3/min*m2] inaczej szybkość filtracji (ang. flux rate) jest miarą intensywności procesu membranowego. Do oceny efektywności procesu permeacyjnego stosowany jest tzw. współczynnik retencji R, czyli stopniem zatrzymania (ang. retention).
Osmoza i jej Znaczenie
Osmoza to naturalny proces fizyczny zachodzący w przyrodzie, podczas którego rozpuszczalnik (zazwyczaj woda) przemieszcza się przez półprzepuszczalną błonę. Transport cząsteczek następuje zawsze z obszaru o niższym stężeniu do obszaru o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej. To niezwykle ważne zjawisko dla życia organizmów.
Zjawisko osmozy to fundamentalny proces fizyczny polegający na samoistnym transporcie cząsteczek rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną. Ten naturalny mechanizm zachodzi zawsze z obszaru o niższym stężeniu do obszaru o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej. Proces osmotyczny występuje wszędzie wokół nas - od pojedynczych komórek po złożone systemy przemysłowe. To dzięki niemu rośliny pobierają wodę z gleby, a nasze komórki utrzymują odpowiednie stężenie substancji odżywczych. Cały proces osmotyczny zachodzi samorzutnie i nie wymaga dodatkowej energii. Jest to jeden z najważniejszych mechanizmów transportu w naturze.
Przeczytaj także: Definicje dyfuzji, przepływu objętościowego i osmozy w roślinach
Błona półprzepuszczalna stanowi kluczowy element w zjawisku osmozy. Jej główną funkcją jest selektywny transport cząsteczek, gdzie przepuszcza ona tylko wybrane substancje. Skuteczność transportu przez błonę zależy od wielkości jej porów. W organizmach żywych rolę błony półprzepuszczalnej pełnią błony komórkowe.
Transport osmotyczny zależy od typu roztworów uczestniczących w procesie. Różnica stężeń między roztworami determinuje kierunek przepływu cząsteczek. Roztwór hipotoniczny zawiera mniej substancji rozpuszczonej niż otoczenie. Roztwór hipertoniczny ma wyższe stężenie substancji rozpuszczonej. Roztwór izotoniczny posiada takie samo stężenie jak otoczenie.
Zastosowania Osmozy
Osmoza w przyrodzie znajduje szerokie zastosowanie w naszym codziennym życiu. Wykorzystujemy ją w procesach oczyszczania wody pitnej, gdzie membrany osmotyczne usuwają zanieczyszczenia. W medycynie zjawisko osmozy jest wykorzystywane w dializie nerek, umożliwiając oczyszczanie krwi z toksyn metabolicznych. Przemysł spożywczy wykorzystuje proces osmotyczny do konserwacji żywności. Wysokie stężenie soli lub cukru pomaga zachować świeżość produktów. W organizmach żywych transport osmotyczny reguluje gospodarkę wodną i jest niezbędny do prawidłowego funkcjonowania każdej komórki. Proces osmotyczny stanowi podstawę wielu metod konserwacji żywności.
Odwrócona Osmoza: Zaawansowana Technologia Separacji
Odwrócona osmoza (ang. Reverse Osmosis - RO) to technologiczna modyfikacja naturalnego procesu osmozy. Wykorzystuje ciśnienie zewnętrzne do wymuszenia przepływu wody w kierunku przeciwnym do spontanicznego. W procesie odwróconej osmozy stosuje się specjalne membrany syntetyczne, które zatrzymują nawet najmniejsze zanieczyszczenia, w tym jony metali ciężkich i mikroplastik.
Mechanizm rozdziału ma charakter dyfuzyjny. Odwrócona osmoza została po raz pierwszy zastosowana w 1953 roku do odsalania wody morskiej. Wprowadzenie jej do przemysłu nastąpiło dopiero w latach sześćdziesiątych po opracowaniu przez Loeb’a i Sourirajana technologii wytwarzania na skalę przemysłową wysokowydajnych, a jednocześnie selektywnych membran asymetrycznych. Jest to proces rozdziału składników o małej masie cząsteczkowej (M<300). Średnice rozdzielanych cząstek i cząsteczek mogą wynosić od kilku do kilkunastu angstremów (Ǻ). W zależności od stężenia roztworu po obu stronach membrany zakres stosowanych ciśnień waha się w granicach 0,3 - 10 MPa.
Przeczytaj także: Zastosowanie wężyków do filtra osmozy
Jeśli na roztwór o większym stężeniu wywrzemy ciśnienie Δp większe niż Δπ to woda będzie przepływać do roztworu o mniejszym stężeniu, czyli w kierunku przeciwnym do kierunku strumienia osmotycznego. Zachodzi wówczas proces odwróconej osmozy, prowadzący do zatężania się tego roztworu i rozcieńczania roztworu po przeciwnej stronie membrany (C1↓, C2↑), (Δp>Δπ).
Model ten zakłada, że o przepływie określonych składników przez zwarte membrany polimerowe decyduje ich rozpuszczanie w polimerze i dyfuzja. Model pomija oddziaływania pomiędzy polimerem membrany a dyfundującym składnikiem. Składniki dyfundują przez membranę pod wpływem „bodźca termodynamicznego”, to znaczy ujemnego gradientu potencjału chemicznego tego składnika.
Różnice Między Odwróconą Osmozą a Innymi Technikami Membranowymi
Odwrócona osmoza zdecydowanie różni się od innych technik tego typu, takich jak ultra- i mikrofiltracja. W procesach MF i UF podstawą separacji jest efekt sitowy, natomiast w RO efekt ten praktycznie nie występuje.
Zastosowania Odwróconej Osmozy
Technologia znajduje zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym. W gospodarstwie domowym odwrócona osmoza zapewnia czystą wodę pitną. Odwróconą osmozę stosuje się do separacji związków małocząsteczkowych (nieorganiczne, małocząsteczkowe związki organiczne) od rozpuszczalnika. Konieczne jest stosowanie wyższych ciśnień transmembranowych niż w przypadku ultra i mikrofiltracji, ponieważ związki małocząsteczkowe charakteryzują się wyższymi ciśnieniami osmotycznymi. Odwrócona osmoza pozwala oddzielić rozpuszczalnik (wodę) od substancji rozpuszczonych nawet o stosunkowo niskiej masie cząsteczkowej, np. sole i cukry.
W przeciwieństwie do tradycyjnego filtru, odwrócona osmoza może rozdzielać składniki roztworów do zakresu rozmiaru molekularnego, co sprawia, że jest ona konkurencyjna w stosunku do innych metod oczyszczania wody.
Przeczytaj także: Analiza dzbanków filtrujących wodę z RO
Tabela Porównawcza Technik Membranowych
| Technika | Siła Napędowa | Mechanizm Separacji | Zakres Ciśnień (MPa) | Zastosowania |
|---|---|---|---|---|
| Mikrofiltracja | Różnica ciśnień (0,01-0,1) | Efekt sitowy | 0,01-0,1 | Oddzielanie cząstek stałych i koloidów od roztworów cukrów i soli |
| Ultrafiltracja | Różnica ciśnień (do 1) | Efekt sitowy | Do 1 | Oddzielanie białek i większych cząstek od cukrów, soli i wody |
| Nanofiltracja | Różnica ciśnień (1-3) | Selektywne przepuszczanie jonów | 1-3 | Przepuszczanie jonów jednowartościowych (Na+, K+) |
| Odwrócona Osmoza | Różnica ciśnień (0,3-10) | Dyfuzja | 0,3-10 | Oddzielanie rozpuszczalnika (wody) od substancji rozpuszczonych (sole, cukry) |
tags: #dyfuzja #przeplw #objetoscowy #osmoza #różnice
