正向滲透法

滲透、反滲透-逆滲透中的重要成員。

滲透劑的廣義概念是指一類能夠幫助需要滲透的物質(zhì)滲透到需要被滲透物質(zhì)的化學(xué)品，工業(yè)上一般是使用表面活性劑(可以是陰離子或非離子的)或有機(jī)或無機(jī)溶劑。

溶質(zhì)是溶液中被分散的物質(zhì)稱為溶質(zhì)，溶質(zhì)分散其中的介質(zhì)稱為溶劑。這種區(qū)分實(shí)質(zhì)上是以其在混合物中相對(duì)含量的多少為依據(jù)，不很嚴(yán)格，因此也就不是絕對(duì)的。不過對(duì)氣體或固態(tài)物質(zhì)同液體組成的溶液，則不論液體的多少，一般均稱液體為溶劑。溶質(zhì)一般以分子、原子或離子形態(tài)均勻地分布于溶劑中。溶質(zhì)粒子(如糖水中的蔗糖分子、氯化鈉溶液中的氯離子和鈉離子、碘酒中的碘分子)的直徑一般小于1 nm。像砂糖等被溶解的物質(zhì)稱為溶質(zhì)。都包括固體，液體，氣體。

溶質(zhì)分散其中的介質(zhì)稱為溶劑。溶質(zhì)和溶劑是相對(duì)而言的。兩種液體互相溶解時(shí)，通常把量多的一種叫溶劑，量少的一種叫溶質(zhì)。例如酒精和水互相溶解時(shí)，一般來說酒精是溶質(zhì)，水是溶劑，如果少量水溶解在酒精里，也可把水作為溶質(zhì)，酒精作為溶劑。一般在水溶液里總是把水作為溶劑。應(yīng)用最廣的溶劑是水。溶劑分極性溶劑(高介電常數(shù))和非極性溶劑(低介電常數(shù))兩類。最典型的極性溶劑是水，非極性溶劑如烴類。芳香烴(如苯)的溶解能力強(qiáng)于脂肪烴(如汽油)。很多有機(jī)物也作為溶劑使用，常稱為有機(jī)溶劑，如醇、醚、酮和鹵代烴，化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)大量的有機(jī)溶劑，它們?cè)谕苛?、塑料、合成橡膠中有廣泛的應(yīng)用。

滲透劑(JFC)的全稱是脂肪醇聚氧乙烯醚，屬非離子表面活性劑。滲透劑顧名思義是起滲透作用，也是具有固定的親水親油基團(tuán)，在溶液的表面能定向排列，并能使表面張力顯著下降的物質(zhì)。

滲透劑一般分為非離子很陰離子兩類。非離子的有JFC、JFC-1、JFC-2、JFC-E等;陰離子的有快速滲透劑T、耐堿滲透劑OEP-70、耐堿滲透劑AEP、高溫滲透劑JFC-M等等。

滲透作用(osmosis)兩種不同濃度的溶液隔以半透膜(允許溶劑分子通過，不允許溶質(zhì)分子通過的膜)，水分子或其它溶劑分子從低濃度的溶液通過半透膜進(jìn)入高濃度溶液中的現(xiàn)象?；蛩肿訌乃畡?shì)高的一方通過半透膜向水勢(shì)低的一方移動(dòng)的現(xiàn)象。植物細(xì)胞的液泡充滿水溶液，將液泡膜及質(zhì)膜視為半透膜，則細(xì)胞與細(xì)胞之間，或細(xì)胞浸于溶液或水中，都會(huì)發(fā)生滲透作用。實(shí)際上，生物膜并非理想半透膜，它是選擇透性膜，既允許水分子通過也允許某些溶質(zhì)通過，但通常使溶劑分子比溶質(zhì)分子通過要多得多，因此可以發(fā)生滲透作用。植物細(xì)胞由于細(xì)胞壁的存在，可以產(chǎn)生壓力而逐漸使細(xì)胞內(nèi)外水勢(shì)相等，細(xì)胞停止?jié)B透吸水。所以植物細(xì)胞放在水中一般不會(huì)破裂。動(dòng)物細(xì)胞如紅細(xì)胞放入水中即會(huì)破裂。

滲透現(xiàn)象發(fā)生的條件

半透膜、細(xì)胞內(nèi)外濃度差

滲透實(shí)驗(yàn)

把蠶豆種皮緊縛在漏斗上，注入蔗糖溶液，然后把整個(gè)裝置浸入盛有清水的燒杯中，漏斗內(nèi)外液面相等。由于蠶豆種皮是接近半透膜(semipermeable membrane)(即讓水分子通過而蔗糖分子不能透過的一種薄膜)，所以整個(gè)裝置就成為一個(gè)滲透系統(tǒng)。在一個(gè)滲透系統(tǒng)中，水的移動(dòng)方向決定于半透膜兩邊溶液的水勢(shì)高低。水勢(shì)高的溶液的水，流向水勢(shì)低的溶液。實(shí)質(zhì)上，半透膜兩邊的水分子是可以自由通過的，可是清水的水勢(shì)高，蔗糖溶液的水勢(shì)低，從清水到蔗糖溶液的水分子比從蔗糖溶液到清水的水分子多，所以在外觀上，燒杯中清水的水流入漏斗內(nèi)，漏斗內(nèi)的玻璃管內(nèi)液面上升，靜水壓也開始增高。隨著水分逐漸進(jìn)入玻璃管內(nèi)，液面越上升，靜水壓也越大，壓迫水分從玻璃管內(nèi)向燒杯移動(dòng)速度就越快，膜內(nèi)外水分進(jìn)出速度越來越接近。最后，液面不再上升，停留不動(dòng)，實(shí)質(zhì)上是水分進(jìn)出的速度相等，呈動(dòng)態(tài)平衡。水分從水勢(shì)高的系統(tǒng)通過半透膜向水勢(shì)低的系統(tǒng)移動(dòng)的現(xiàn)象，就稱為滲透作用(osmosis)。

雖然這個(gè)問題太深?yuàn)W，至今科學(xué)家們給出了一些解釋。其實(shí)把"滲透現(xiàn)象"理解清楚就可以。學(xué)界對(duì)于"滲透分離機(jī)理"的解釋主要流行以下四種理論:

既近代統(tǒng)一化的，最新的模型上世紀(jì)90年代鄧宇們的"干閉濕開模型"

干閉濕開模型

膜干時(shí)，膜孔收縮致密，孔隙閉合，電鏡下看不到制成干態(tài)備鏡檢的"無孔"干膜;

膜濕時(shí)，膜材料溶脹，膜的孔隙被溶劑溶脹，孔打開。合并就是"干閉濕開"脫鹽模型。

及早期的代表性的

正向滲透膜分離的原理和特征

正向滲透膜分離技術(shù)和反滲透 分離類似，是水分子從半透膜的一側(cè)擴(kuò)散到另一側(cè)，截留溶質(zhì)分子和離子。與壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過程不同的是，正向滲透的驅(qū)動(dòng)力是半透膜兩側(cè)的滲透壓差A(yù)ct，而不是外界壓力，如圖1所示。

正向滲透過程水分子從選擇性透過膜化學(xué)勢(shì)高的一側(cè)擴(kuò)散到化學(xué)勢(shì)低的一側(cè)，而壓力延緩滲透是正向滲透和反滲透的中間過程，水壓作用于滲透壓梯度的反方向，水的凈通量仍然是向濃縮液方向。

隨著科技的飛速發(fā)展，壓力驅(qū)動(dòng)反滲透膜分離技術(shù)(RO)在膜、膜組器、設(shè)備和工藝等方面都有了較大創(chuàng)新和改進(jìn)，但人們也越來越意識(shí)到RO技術(shù)在節(jié)能、環(huán)保領(lǐng)域存在的局限，而且就脫鹽來講，RO技術(shù)可認(rèn)為已接近發(fā)展的頂峰。因此，近年來國(guó)外已經(jīng)開展了"正向滲透膜分離技術(shù)(FO)"的相關(guān)研究，并取得了一定的成果，在海水淡化、污水處理、食品加工、醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了應(yīng)用，特別是"壓力延緩滲透(PRO)海水發(fā)電"，更是一項(xiàng)極具前景的清潔再生能源開發(fā)技術(shù)J。但是國(guó)內(nèi)目前對(duì)正向滲透膜分離技術(shù)關(guān)注得很少，相關(guān)研究和論文也不多。雖然，上個(gè)世紀(jì)90年代我國(guó)有了創(chuàng)造性的發(fā)明"非加壓吸附滲透法海水淡化"(CN92110710.2)。

正向滲透分離技術(shù)很早就得到了應(yīng)用。很久以前，人們就采用食鹽來長(zhǎng)期貯存食物，因?yàn)樵诟啕}環(huán)境下多數(shù)細(xì)菌、霉菌和病原菌由于滲透作用會(huì)脫水死亡或暫時(shí)失去活性。如今，人們已經(jīng)開始利用正向滲透膜分離技術(shù)進(jìn)行海水淡化、工業(yè)廢水處理、垃圾滲透液處理等研究;食品工業(yè)在實(shí)驗(yàn)室利用正向滲透膜分離來濃縮飲料;緊急救援時(shí)的生命支持系統(tǒng)利用正向滲透膜分離技術(shù)制取淡水。近來隨著材料科學(xué)的發(fā)展，正向滲透技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于人體的藥物控制釋放。

非加壓滲透吸附法(90年代)

非加壓吸附滲透海水淡化法，或稱為"正向滲透法"，讓水通過多孔膜正向滲透進(jìn)入一種超強(qiáng)吸水的吸附劑或鹽濃度甚至超過海水的溶液或固態(tài)物，不需要外界加壓，但溶液里的特殊鹽分"提取液"很容易蒸發(fā)，不需要加太多的熱(加熱能與反滲透加壓的能量比?)。分固態(tài)鹽、液態(tài)鹽方向。固態(tài)鹽解吸附耗能更小。

海水淡化技術(shù):非加壓吸附滲透海水淡化法(CN92110710.2)1992年:上個(gè)世紀(jì)90年代鄧宇的發(fā)明，《美國(guó)化學(xué)文摘》收錄。

另外兩種方法都在薄膜結(jié)構(gòu)上有了創(chuàng)新和改進(jìn)

碳納米管薄膜

一種用碳納米管來做薄膜的小孔，另一種

活細(xì)胞的蛋白質(zhì)膜

薄膜的孔用引導(dǎo)水分子通過活細(xì)胞的細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)來構(gòu)成。

滲透作用與吸脹作用與滲透機(jī)理

滲透作用與吸脹作用

吸脹作用(imbibition)親水凝膠吸附水分子，并使其膨脹的過程。為非生命的物理過程。植物組織中含有很多這類物質(zhì)如纖維素、果膠物質(zhì)、淀粉和蛋白質(zhì)等，它們具有很強(qiáng)的親水性，在未被水飽和時(shí)，就潛伏著很強(qiáng)的吸水能力。最明顯的例子是風(fēng)干種子，因?yàn)槠鋬?nèi)貯存著大量蛋白質(zhì)或淀粉。蛋白質(zhì)與水結(jié)合的趨勢(shì)大于淀粉，因此，豆類種子吸脹作用極為明顯。吸脹物體由于吸附水分子而膨脹，其壓力是很大的，如將干種子塞滿巖石裂縫，借其吸水產(chǎn)生的吸脹壓力能使巖石破裂。

植物吸收水分的方式

植物吸收水分的方式有兩種:吸脹作用和滲透作用。

吸脹作用是沒有液泡的植物細(xì)胞吸收水分的方式，如生長(zhǎng)點(diǎn)的細(xì)胞、干種子細(xì)胞等，原理是細(xì)胞中有大量親水性物質(zhì)，這些親水性能夠從外界吸收大量的水分，活細(xì)胞、死細(xì)胞都能通過吸脹作用吸收水分。

滲透作用是具有液泡的成熟的植物細(xì)胞吸收水分的方式，原理是:原生質(zhì)層具有選擇透過性，原生質(zhì)層內(nèi)外的溶液存在著濃度差，水分子就可以從溶液濃度低的一側(cè)通過原生質(zhì)層擴(kuò)散到溶液濃度高的一側(cè)。溶液滲透壓的高低與溶液中溶質(zhì)分子的物質(zhì)的量的多少有關(guān)，溶液中溶質(zhì)分子物質(zhì)的量越多，滲透壓越高，反之則越低。在比較兩種溶液滲透壓高低時(shí)以兩種溶液中的溶質(zhì)分子的物質(zhì)的量為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。如果溶質(zhì)分子相同，也可以質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較。能夠通過滲透作用吸水的細(xì)胞一定是一個(gè)活細(xì)胞。一個(gè)成熟的植物細(xì)胞是一個(gè)滲透系統(tǒng)。驗(yàn)證通過滲透作用吸水或失水的最佳實(shí)例是質(zhì)壁分離和質(zhì)壁分離復(fù)原的實(shí)驗(yàn)。一次施肥過多引起"燒苗"，是由于土壤溶液的濃度突然增高，導(dǎo)致植物的根細(xì)胞吸水發(fā)生困難或不能吸水所至。鹽堿地里大多數(shù)農(nóng)作物不能正常生長(zhǎng)的原因之一也是土壤溶液濃度過高造成的。淹制的魚、肉等不易變質(zhì)，是由于高濃度的鹽溶液使細(xì)胞等微生物失水死亡之故。