Осмос — самопроизвольный переход растворителя через полупроницаемую мембрану, разделяющую растворитель или два раствора с различной концентрацией растворенного вещества. Осмос обусловлен диффузией молекул растворителя через полупроницаемую перегородку, которая пропускает только молекулы растворителя. Молекулы диффундируют из растворителя в раствор или из менее концентрированного раствора в более концентрированный, поэтому концентрированный раствор разбавляется, при этом увеличивается высота его столба (см. рис.).
Схема осмометра:
1 — вода
2 — раствор
3 — полупроницаемая мембрана
Количественно осмос характеризуется осмотическим давлением, равным силе, приходящейся на единицу площади поверхности перегородки. Оно равно давлению столба раствора в осмометре высотой h. При равновесии внешнее давление уравновешивает осмотическое давление. В этом случае скорости прямого и обратного перехода молекул через полупроницаемую перегородку одинаковы. Если внешнее давление, приложенное к концентрированному раствору, выше осмотического π, т.е. p > π, то скорость перехода молекул растворителя из концентрированного раствора будет больше, и растворитель будет переходить в разбавленный раствор (или чистый растворитель). Этот процесс называется обратным осмосом. Осмотическое давление возрастает с увеличением концентрации растворенного вещества и температуры. Вант-Гофф предположил, что для осмотического давления можно применить уравнение состояния идеального газа:
πV = nRT или π = (n/V)RT,
откуда π = сRT,
где π — осмотическое давление, c — молярная концентрация раствора.
Чтобы окончательно разобраться с явлением осмоса, рассмотрим опыт французского физика Нолле, открывшего его в 1748 г. Представьте обычный стакан, открытый с обоих концов; один конец (дно) затягиваем пленкой из бычьего пузыря, наливаем в цилиндр раствор сахара в воде и погружаем его дном в сосуд с чистой водой. Большие молекулы сахара не могут пройти сквозь материал пузыря, а молекулы воды проходят, и мы наблюдаем, как изменяется уровень жидкости в цилиндре. Бычий пузырь в данном случае является полупроницаемой мембраной.
В фильтрах, основанных на явлении обратного осмоса, по сути, реализуется механическая очистка воды, только на молекулярном уровне. Твердое тело является очень мелкой сеткой, т.к. между атомами есть путоты размером несколько ангстрем. Но эта сетка трехмерная и исключительно плотная, она не пропускает ничего. Однако представьте, что мы изготовили пленку толщиной от 1 до 0,1 мм. В этой пленке между молекулами будут отверстия-поры, причем очень маленькие - гораздо меньше, чем в механических фильтрах. Водопроводная вода состоит из молекул H2O и множества молекул и ионов примесей. Если процеживать воду через мембрану, то пройдут небольшие молекулы H2O и близкие к ним по величине, а более крупные будут задержаны. Это и есть принцип осмотической или мембранной фильтрации.
В наше время такие мембраны изготавливают из полимерных и керамических материалов, и, в зависимости от размера пор, с их помощью осуществляется:
- обратный осмос;
- нанофильтрация;
- ультрафильтрация;
- микрофильтрация.
Самая мелкая «сетка» (обратный осмос) пропускает лишь молекулы воды, и в результате мы получаем почти дистиллированную воду. Эту воду не следует употреблять регулярно, потому что организм не получает необходимых ему ионов кальция и магния. Подробнее смотрите в статье "Вред дистиллированной воды". При нанофильтрации задерживаются взвеси, микрофлора (включая вирусы), любая органика и частично ионы натрия, кальция и магния; при ультрафильтрации — взвеси, микрофлора и крупные органические молекулы; при микрофильтрации — взвеси и бактерии.
Этот способ фильтрации применяется, прежде всего, для удаления бактериологических и органических загрязнений, а также обессоливания воды (в случае обратного осмоса). Разумеется, можно сочетать в фильтре несколько мембран одного или разных типов и комбинировать мембранный фильтр с другими — например, с работающими по принципу ионного обмена.
