正向滲透法模型

滲透作用與吸脹作用與滲透機理

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，它們具有很強的親水性，在未被水飽和時，就潛伏著很強的吸水能力。最明顯的例子是風干種子，因為其內(nèi)貯存著大量蛋白質(zhì)或淀粉。蛋白質(zhì)與水結合的趨勢大于淀粉，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胞吸收水分的方式，如生長點的細胞、干種子細胞等，原理是細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，活細胞、死細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通過原生質(zhì)層擴散到溶液濃度高的一側。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，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以兩種溶液中的溶質(zhì)分子的物質(zhì)的量為標準進行比較。如果溶質(zhì)分子相同，也可以質(zhì)量分數(shù)比較。能夠通過滲透作用吸水的細胞一定是一個活細胞。一個成熟的植物細胞是一個滲透系統(tǒng)。驗證通過滲透作用吸水或失水的最佳實例是質(zhì)壁分離和質(zhì)壁分離復原的實驗。一次施肥過多引起"燒苗"，是由于土壤溶液的濃度突然增高，導致植物的根細胞吸水發(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胞等微生物失水死亡之故。

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入高濃度溶液中的現(xiàn)象?；蛩肿訌乃畡莞叩囊环酵ㄟ^半透膜向水勢低的一方移動的現(xiàn)象。植物細胞的液泡充滿水溶液，將液泡膜及質(zhì)膜視為半透膜，則細胞與細胞之間，或細胞浸于溶液或水中，都會發(fā)生滲透作用。實際上，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。植物細胞由于細胞壁的存在，可以產(chǎn)生壓力而逐漸使細胞內(nèi)外水勢相等，細胞停止?jié)B透吸水。所以植物細胞放在水中一般不會破裂。動物細胞如紅細胞放入水中即會破裂。

滲透現(xiàn)象發(fā)生的條件

半透膜、細胞內(nèi)外濃度差

滲透實驗

把蠶豆種皮緊縛在漏斗上，注入蔗糖溶液，然后把整個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)，所以整個裝置就成為一個滲透系統(tǒng)。在一個滲透系統(tǒng)中，水的移動方向決定于半透膜兩邊溶液的水勢高低。水勢高的溶液的水，流向水勢低的溶液。實質(zhì)上，半透膜兩邊的水分子是可以自由通過的，可是清水的水勢高，蔗糖溶液的水勢低，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)向燒杯移動速度就越快，膜內(nèi)外水分進出速度越來越接近。最后，液面不再上升，停留不動，實質(zhì)上是水分進出的速度相等，呈動態(tài)平衡。水分從水勢高的系統(tǒng)通過半透膜向水勢低的系統(tǒng)移動的現(xiàn)象，就稱為滲透作用(osmosis)。

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)或有機或無機溶劑。

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)分實質(zhì)上是以其在混合物中相對含量的多少為依據(jù)，不很嚴格，因此也就不是絕對的。不過對氣體或固態(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)和溶劑是相對而言的。兩種液體互相溶解時，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，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)的溶解能力強于脂肪烴(如汽油)。很多有機物也作為溶劑使用，常稱為有機溶劑，如醇、醚、酮和鹵代烴，化學工業(yè)生產(chǎn)大量的有機溶劑，它們在涂料、塑料、合成橡膠中有廣泛的應用。

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，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。

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

正向滲透分離技術很早就得到了應用。很久以前，人們就采用食鹽來長期貯存食物，因為在高鹽環(huán)境下多數(shù)細菌、霉菌和病原菌由于滲透作用會脫水死亡或暫時失去活性。如今，人們已經(jīng)開始利用正向滲透膜分離技術進行海水淡化、工業(yè)廢水處理、垃圾滲透液處理等研究;食品工業(yè)在實驗室利用正向滲透膜分離來濃縮飲料;緊急救援時的生命支持系統(tǒng)利用正向滲透膜分離技術制取淡水。近來隨著材料科學的發(fā)展，正向滲透技術已經(jīng)應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入一種超強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:非加壓吸附滲透海水淡化法(CN92110710.2)1992年:上個世紀90年代鄧宇的發(fā)明，《美國化學文摘》收錄。

另外兩種方法都在薄膜結構上有了創(chuàng)新和改進

碳納米管薄膜

一種用碳納米管來做薄膜的小孔，另一種

活細胞的蛋白質(zhì)膜

薄膜的孔用引導水分子通過活細胞的細胞膜的蛋白質(zhì)來構成。

雖然這個問題太深奧，至今科學家們給出了一些解釋。其實把"滲透現(xiàn)象"理解清楚就可以。學界對于"滲透分離機理"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90年代鄧宇們的"干閉濕開模型"

干閉濕開模型

膜干時，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，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和反滲透 分離類似，是水分子從半透膜的一側擴散到另一側，截留溶質(zhì)分子和離子。與壓力驅(qū)動膜分離過程不同的是，正向滲透的驅(qū)動力是半透膜兩側的滲透壓差Act，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勢高的一側擴散到化學勢低的一側，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。