Что такое обратный осмос и для чего его применяют?

В основе рассмотренного в лекции 4 метода гиперфильтрации лежит явление обратного осмоса. Разделение растворов методом обратного осмоса основано на проникновении через мембрану растворителя и задерживании растворенных веществ. Для обратного осмоса используются мембраны с размерами пор менее 1 нм. Движущей силой процесса является градиент давления. Направление движения жидкости при обратном осмосе противоположно направлению осмотического потока. По этой причине движение жидкости через мембрану под действием внешнего давления и получило название «обратного осмоса». Перепад давления по обе стороны Dp = p-Π, где p – избыточное давление над раствором, Π – осмотическое давления раствора и p>Π.

Обратный осмос имеет широкий спектр использования: от очистки растворителя (в этом случае продуктом является пермеат, т. е. то, что проходит через мембрану, от английского permeate – проходить сквозь) до концентрирования растворенного вещества (в этом случае продукт – ретант, т. е. то, что задерживается, от английского returned – возвращаемый). Обратный осмос можно использовать для обессоливания морской воды с целью получения питьевой воды. Осмотическое давление морской воды, содержащей 3,5 масс. % растворенных солей, составляет 25∙10⁵ Па или приблизительно 25 атм. Другой важной областью применения обратного осмоса является производство ультрачистой воды для полупроводниковой и медицинской промышленности.

Обратный осмос используется на стадии концентрирования, особенно в пищевой промышленности (концентрирование фруктовых соков, сахара, кофе), в гальванической технологии для концентрирования сточных вод и т. п.

Какие еще явления, связанные с молекулярно-кинетическими свойствами дисперсных систем, Вам известны?

Седиментация – это еще одно из явлений, связанных с молекулярно-кинетическими свойствами дисперсных систем.

Седиментацией называют процесс оседания (в редких случаях всплывание) частиц дисперсной фазы в жидкой или газообразной среде под действием силы тяжести. Седиментация характерна для суспензий. В эмульсиях, наоборот, частицы дисперсной фазы обычно всплывают. (Как называется всплывание капель в эмульсии? Чем оно обусловлено?)

Для ответа на последний вопрос Вам необходимо будет вспомнить, какие факторы влияют на скорость оседания частиц.

Из уравнения для скорости седиментации следует, что скорость седиментации определяется размером частиц, разностью плотностей частиц и среды, а также вязкостью среды. Зная скорость, можно определить радиус частиц. На этом основан седиментационный анализ размеров частиц в порошках, суспензиях, эмульсиях, различных взвесях и т. д. (Вспомните, что такое константа седиментации. Можно ли ее определить как скорость седиментации в расчете на единичное ускорение? В каких единицах она оценивается?)

Грубодисперсные системы (например, пыль или суспензия песка в воде) седиментационно неустойчивы, поскольку их частицы тяжелы и практически не могут осуществлять теплового (броуновского) движения. (Вспомните, каков предельный размер частиц, способных участвовать в броуновском движении.) Наоборот, высокодисперсные системы (газы, истинные растворы) обладают высокой кинетической устойчивостью, т. к. им свойственно тепловое движение и способность к диффузии. Коллоидные системы (аэрозоли, лиозоли) по устойчивости занимают промежуточное положение. Что следует понимать под седиментационной устойчивостью?

Способность системы сохранять равномерное распределение частиц по объему принято называть седиментационной или кинетической устойчивостью системы. Очевидно, что о седиментационной устойчивости или неустойчивости имеет смысл говорить только при рассмотрении свободнодисперсных систем, когда каждая частица свободна в своем движении, т. е. движется независимо от других частиц. Мерой кинетической устойчивости дисперсной системы является величина, обратная константе седиментации.

Как уже указывалось, частицы коллоидных размеров не седиментируют под действием силы тяжести или седиментриуют чрезвычайно медленно. Так, например, частицы кварца радиусом 0,1 мкм проходят при оседании пусть в 1 см за 86 часов.