Осмос в очистке воды

Еще один способ опреснения воды - это осмос, процесс, напоминающий фильтрование, но на молекулярном уровне. В этом случае соленая вода превращается в пресную благодаря отделению примесей с помощью фильтра с чрезвычайно мелкими порами. Но поскольку процесс идет на уровне молекул, при обратном осмосе возникают необычные эффекты, связанные с давлением, нехарактерные для фильтров с большим размером пор.

Осмос возникает, когда две различные жидкости помещают по разные стороны полупроницаемой мембраны. Такая мембрана представляет собой поверхность, через которую могут проходить только определенные частицы. Молекулы жидкости активно колеблются, так как обладают запасом тепловой энергии. Колеблясь, они сталкиваются друг с другом и с мембраной.
Осмос в процессе очистки воды

Те частицы, которые могут пройти через мембрану, часто так и делают. Они перемещаются то туда, то обратно, пока система не достигнет фазового равновесия. В условиях равновесия суммарный поток частиц через мембрану становится равен нулю, и состав обеих жидкостей с течением времени больше не меняется.

Если давление жидкостей по обе стороны мембраны одинаковое, то равновесие устанавливается тогда, когда становятся равными концентрации молекул с низкой подвижностью, не способных пройти через мембрану (под концентрацией мы понимаем количество частиц в единице объема). Что касается подвижных молекул, то они и после наступления равновесия продолжают переходить через мембрану в обоих направлениях.

Если же по одну сторону мембраны поместить более концентрированный раствор молекул низкой подвижности, в нем будет меньше подвижных молекул, чем в левой части сосуда. В этом случае подвижные молекулы из этой другой части будут стремиться пройти через мембрану в более концентрированный раствор. Поток этих молекул разбавит концентрированный раствор справа. Раствор же слева от мембраны, лишившись части подвижных молекул, станет более концентрированным.

Некоторые полупроницаемые мембраны пропускают молекулы воды, но не пропускают молекулы соли. Соль в растворе существует в виде отдельных заряженных частиц - ионов, окруженных сольватной оболочкой из молекул воды. Хотя сами по себе ионы очень малы, сольватные оболочки увеличивают их в размерах и не дают пройти через мембрану. Таким образом, ионы соли обладают низкой подвижностью, и осмос осуществляется между соленой и пресной водой.

Если поместить по обе стороны полупроницаемой мембраны соленую и пресную воду, молекулы воды будут переходить из отсека с пресной водой в соленую, разбавляя последнюю. В результате масса раствора в отсеке с пресной водой будет уменьшаться. Молекулы воды будут продолжать переходить через мембрану в отсек с соленой водой, пока концентрации соли по обе стороны мембраны не сравняются.

Единственный способ остановить осмос и прекратить разбавление соленой воды - повысить ее давление. Повышение давления приведет к тому, что молекулы воды будут выдавливаться через мембрану обратно в пресную воду. Оба раствора вновь достигнут фазового равновесия, но концентрация частиц с низкой подвижностью в соленой воде будет выше, чем в пресной. Поддержание высокой разности концентраций по обе стороны мембраны требует давления в десятки, а то и в сотни атмосфер.