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正向渗透法

正向渗透法,实质就是“渗透法”,是与逆渗透、反渗透相对的方法,互反的方法。正向渗透法或“正向渗透技术”是利用膜两侧溶液的渗透压差,使水分子从高化学势一侧渗透到低化 学势一侧的新型膜分离技术。

“正向渗透法”是低浓度溶液中的水或其他溶液通过半透性膜进入较高浓度溶液中的现象。如植物细胞的原生质膜、液泡膜都是半透性膜。植物的根主要靠渗透作用从土壤中吸收水分和矿物质等。

“正向渗透”是指水分子以及溶剂通过半透性膜的自然扩散渗透。熵增的过程。水的扩散同样是从自由能高的地方向自由能低的地方移动,如果考虑到溶质的话,水是从溶质浓度低的地方向溶质浓度高的地方流动。更准确一点说,是从蒸汽压高的地方扩散到蒸汽压低的地方。

当纯水和盐水被理想半透膜隔开,理想半透膜只允许水通过而阻止盐通过,此时膜纯水侧的水会自发地通过半透膜流入盐水一侧,这种现象称为渗透,若在膜的盐水侧施加压力,那么水的自发流动将受到抑制而减慢,当施加的压力达到某一数值时,水通过膜的净流量等于零,这个压力称为渗透压力,当施加在膜盐水侧的压力大于渗透压力时,水的流向就会逆转,此时,盐水中的水将流入纯水侧,上述现象就是水的反渗透(RO)处理的基本原理。

虽然这个问题太深奥,至今科学家们给出了一些解释。其实把“渗透现象”理解清楚就可以。学界对于“渗透分离机理”的解释主要流行以下四种理论:

既近代统一化的,最新的模型上世纪90年代邓宇们的“干闭湿开模型”

干闭湿开模型

膜干时,膜孔收缩致密,孔隙闭合,电镜下看不到制成干态备镜检的“无孔”干膜;

膜湿时,膜材料溶胀,膜的孔隙被溶剂溶胀,孔打开。合并就是“干闭湿开”脱盐模型。

及早期的代表性的

正向渗透膜分离的原理和特征

正向渗透膜分离技术和反渗透分离类似,是水分子从半透膜的一侧扩散到另一侧,截留溶质分子和离子。与压力驱动膜分离过程不同的是,正向渗透的驱动力是半透膜两侧的渗透压差Act,而不是外界压力,如图1所示。

正向渗透过程水分子从选择性透过膜化学势高的一侧扩散到化学势低的一侧,而压力延缓渗透是正向渗透和反渗透的中间过程,水压作用于渗透压梯度的反方向,水的净通量仍然是向浓缩液方向。

随着科技的飞速发展,压力驱动反渗透膜分离技术(RO)在膜、膜组器、设备和工艺等方面都有了较大创新和改进,但人们也越来越意识到RO技术在节能、环保领域存在的局限,而且就脱盐来讲,RO技术可认为已接近发展的顶峰。因此,近年来国外已经开展了“正向渗透膜分离技术(FO)”的相关研究,并取得了一定的成果,在海水淡化、污水处理、食品加工、医药等领域得到了应用,特别是“压力延缓渗透(PRO)海水发电”,更是一项极具前景的清洁再生能源开发技术J。但是国内目前对正向渗透膜分离技术关注得很少,相关研究和论文也不多。虽然,上个世纪90年代我国有了创造性的发明“非加压吸附渗透法海水淡化”(CN92110710.2)。

正向渗透分离技术很早就得到了应用。很久以前,人们就采用食盐来长期贮存食物,因为在高盐环境下多数细菌、霉菌和病原菌由于渗透作用会脱水死亡或暂时失去活性。如今,人们已经开始利用正向渗透膜分离技术进行海水淡化、工业废水处理、垃圾渗透液处理等研究;食品工业在实验室利用正向渗透膜分离来浓缩饮料;紧急救援时的生命支持系统利用正向渗透膜分离技术制取淡水。近来随着材料科学的发展,正向渗透技术已经应用于人体的药物控制释放。

非加压渗透吸附法(90年代)

非加压吸附渗透海水淡化法,或称为“正向渗透法”,让水通过多孔膜正向渗透进入一种超强吸水的吸附剂或盐浓度甚至超过海水的溶液或固态物,不需要外界加压,但溶液里的特殊盐分"提取液"很容易蒸发,不需要加太多的热(加热能与反渗透加压的能量比?)。分固态盐、液态盐方向。固态盐解吸附耗能更小。

海水淡化技术:非加压吸附渗透海水淡化法(CN92110710.2)1992年:上个世纪90年代邓宇的发明,《美国化学文摘》收录。

另外两种方法都在薄膜结构上有了创新和改进

碳纳米管薄膜

一种用碳纳米管来做薄膜的小孔,另一种

活细胞的蛋白质膜

薄膜的孔用引导水分子通过活细胞的细胞膜的蛋白质来构成。

渗透、反渗透-逆渗透中的重要成员。

渗透剂的广义概念是指一类能够帮助需要渗透的物质渗透到需要被渗透物质的化学品,工业上一般是使用表面活性剂(可以是阴离子或非离子的)或有机或无机溶剂。

溶质是溶液中被分散的物质称为溶质,溶质分散其中的介质称为溶剂。这种区分实质上是以其在混合物中相对含量的多少为依据,不很严格,因此也就不是绝对的。不过对气体或固态物质同液体组成的溶液,则不论液体的多少,一般均称液体为溶剂。溶质一般以分子、原子或离子形态均匀地分布于溶剂中。溶质粒子(如糖水中的蔗糖分子、氯化钠溶液中的氯离子和钠离子、碘酒中的碘分子)的直径一般小于1 nm。像砂糖等被溶解的物质称为溶质。都包括固体,液体,气体。

溶质分散其中的介质称为溶剂。溶质和溶剂是相对而言的。两种液体互相溶解时,通常把量多的一种叫溶剂,量少的一种叫溶质。例如酒精和水互相溶解时,一般来说酒精是溶质,水是溶剂,如果少量水溶解在酒精里,也可把水作为溶质,酒精作为溶剂。一般在水溶液里总是把水作为溶剂。应用最广的溶剂是水。溶剂分极性溶剂(高介电常数)和非极性溶剂(低介电常数)两类。最典型的极性溶剂是水,非极性溶剂如烃类。芳香烃(如苯)的溶解能力强于脂肪烃(如汽油)。很多有机物也作为溶剂使用,常称为有机溶剂,如醇、醚、酮和卤代烃,化学工业生产大量的有机溶剂,它们在涂料、塑料、合成橡胶中有广泛的应用。

渗透剂(JFC)的全称是脂肪醇聚氧乙烯醚,属非离子表面活性剂。渗透剂顾名思义是起渗透作用,也是具有固定的亲水亲油基团,在溶液的表面能定向排列,并能使表面张力显著下降的物质。

渗透剂一般分为非离子很阴离子两类。非离子的有JFC、JFC-1、JFC-2、JFC-E等;阴离子的有快速渗透剂T、耐碱渗透剂OEP-70、耐碱渗透剂AEP、高温渗透剂JFC-M等等。

渗透作用(osmosis)两种不同浓度的溶液隔以半透膜(允许溶剂分子通过,不允许溶质分子通过的膜),水分子或其它溶剂分子从低浓度的溶液通过半透膜进入高浓度溶液中的现象。或水分子从水势高的一方通过半透膜向水势低的一方移动的现象。植物细胞的液泡充满水溶液,将液泡膜及质膜视为半透膜,则细胞与细胞之间,或细胞浸于溶液或水中,都会发生渗透作用。实际上,生物膜并非理想半透膜,它是选择透性膜,既允许水分子通过也允许某些溶质通过,但通常使溶剂分子比溶质分子通过要多得多,因此可以发生渗透作用。植物细胞由于细胞壁的存在,可以产生压力而逐渐使细胞内外水势相等,细胞停止渗透吸水。所以植物细胞放在水中一般不会破裂。动物细胞如红细胞放入水中即会破裂。

渗透现象发生的条件

半透膜、细胞内外浓度差

渗透实验

把蚕豆种皮紧缚在漏斗上,注入蔗糖溶液,然后把整个装置浸入盛有清水的烧杯中,漏斗内外液面相等。由于蚕豆种皮是接近半透膜(semipermeable membrane)(即让水分子通过而蔗糖分子不能透过的一种薄膜),所以整个装置就成为一个渗透系统。在一个渗透系统中,水的移动方向决定于半透膜两边溶液的水势高低。水势高的溶液的水,流向水势低的溶液。实质上,半透膜两边的水分子是可以自由通过的,可是清水的水势高,蔗糖溶液的水势低,从清水到蔗糖溶液的水分子比从蔗糖溶液到清水的水分子多,所以在外观上,烧杯中清水的水流入漏斗内,漏斗内的玻璃管内液面上升,静水压也开始增高。随着水分逐渐进入玻璃管内,液面越上升,静水压也越大,压迫水分从玻璃管内向烧杯移动速度就越快,膜内外水分进出速度越来越接近。最后,液面不再上升,停留不动,实质上是水分进出的速度相等,呈动态平衡。水分从水势高的系统通过半透膜向水势低的系统移动的现象,就称为渗透作用(osmosis)。

渗透作用与吸胀作用与渗透机理

渗透作用与吸胀作用

吸胀作用(imbibition)亲水凝胶吸附水分子,并使其膨胀的过程。为非生命的物理过程。植物组织中含有很多这类物质如纤维素、果胶物质、淀粉和蛋白质等,它们具有很强的亲水性,在未被水饱和时,就潜伏着很强的吸水能力。最明显的例子是风干种子,因为其内贮存着大量蛋白质或淀粉。蛋白质与水结合的趋势大于淀粉,因此,豆类种子吸胀作用极为明显。吸胀物体由于吸附水分子而膨胀,其压力是很大的,如将干种子塞满岩石裂缝,借其吸水产生的吸胀压力能使岩石破裂。

植物吸收水分的方式

植物吸收水分的方式有两种:吸胀作用和渗透作用。

吸胀作用是没有液泡的植物细胞吸收水分的方式,如生长点的细胞、干种子细胞等,原理是细胞中有大量亲水性物质,这些亲水性能够从外界吸收大量的水分,活细胞、死细胞都能通过吸胀作用吸收水分。

渗透作用是具有液泡的成熟的植物细胞吸收水分的方式,原理是:原生质层具有选择透过性,原生质层内外的溶液存在着浓度差,水分子就可以从溶液浓度低的一侧通过原生质层扩散到溶液浓度高的一侧。溶液渗透压的高低与溶液中溶质分子的物质的量的多少有关,溶液中溶质分子物质的量越多,渗透压越高,反之则越低。在比较两种溶液渗透压高低时以两种溶液中的溶质分子的物质的量为标准进行比较。如果溶质分子相同,也可以质量分数比较。能够通过渗透作用吸水的细胞一定是一个活细胞。一个成熟的植物细胞是一个渗透系统。验证通过渗透作用吸水或失水的最佳实例是质壁分离和质壁分离复原的实验。一次施肥过多引起“烧苗”,是由于土壤溶液的浓度突然增高,导致植物的根细胞吸水发生困难或不能吸水所至。盐碱地里大多数农作物不能正常生长的原因之一也是土壤溶液浓度过高造成的。淹制的鱼、肉等不易变质,是由于高浓度的盐溶液使细胞等微生物失水死亡之故。


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