Беседы о физике и технике

Осмотическое давление пресной воды в реках и озерах обычно меньше 100 кПа, для соленой воды морей и океанов оно в 25–35 раз больше этой величины, а для клеточного сока семян растений может достигать 10 МПа — вот почему семена высасывают необходимую для прорастания воду даже из очень сухой почвы.

Осмос широко используют не только в научной практике, но и в промышленных целях: существуют, например, осмотические методы определения молярной массы веществ, разделения газов, так как и для газовых смесей можно, как оказалось, подобрать осмотические ячейки с соответствующими мембранами.

А ЧТО ТАКОЕ ОБРАТНЫЙ ОСМОС?

Естественно задать вопрос: что будет, если к раствору приложить давление, превышающее осмотическое?

Оказалось, что в этом случае вода из водного раствора пойдет в обратном направлении — из раствора, причем тем быстрее, чем больше перепад давлений. На этом и основан новый метод разделения растворов, получивший название обратный осмос или осмос наоборот.

Открытие обратного осмоса оказалось весьма перспективным во всех отношениях: расход энергии здесь определяется в основном работой на продавливание воды через мембрану из полимерных материалов, пришедших ныне на смену бычьему пузырю.

Расход энергии оказался во много меньше, чем в большинстве известных методов разделения, связанных с испарением, конденсаций, плавлением и т. п., что весьма важно в эпоху НТР.

Кроме того, аппарат обратного осмоса с колоссальной поверхностью мембран (десятки тысяч квадратных метров в 1 м³ объема) занимает всего лишь небольшую комнату, а способен перерабатывать, например, сточные воды крупного завода.

ЭТА ПРОБЛЕМА ВЕСЬМА АКТУАЛЬНА…

Известно, что старые очистные сооружения, используемые в ряде случаев еще и до настоящего времени, занимают территории в несколько гектаров, очищают сточные воды длительное время, из них возможна утечка, они отравляют окружающую атмосферу. Таким образом, только замена громоздких, экономически невыгодных существующих очистных сооружений на машины обратного осмоса — задача современного научно-технического прогресса, решение которой затрагивает весь комплекс вопросов НТР: от природоохранительных до социально-экономических.

КАКИЕ КРИТЕРИИ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫ ПРИ ВЫБОРЕ И СОЗДАНИИ МЕМБРАНЫ?

Перед создателями промышленных осмотических установок встали прежде всего такие проблемы: какие полимеры пригодны для использования их в качестве мембран, каковы должны быть размеры пор, их количество, т. е. какой должна быть поверхность мембран?

Первоначальное предположение о том, что мембрана работает, как сито, не подтвердилось. Оказалось, что поры должны быть много крупнее молекул воды, молекул и ионов растворенных в ней веществ. Ученые пришли к выводу о том, что внутри пор и на поверхности мембраны образуется слой воды, связанный физико-химическими силами с материалом мембраны.

В этом случае вода теряет свою растворяющую способность и становится как бы преградой на пути растворенных веществ.

Следовательно, дело не только в размерах пор, но и в материале для изготовления мембран, т. е. в выборе такого материала, к которому вода хорошо «прилипает» (например, гидрофильные полимеры хорошо набухают в воде).

С другой стороны, «толстые» мембраны (0,01 — 0,1 мм) обладают небольшой производительностью, а очень «тонкие» пленки (менее 0,01 мм) совершенно непрочны и неспособны, следовательно, выдержать давление 50—100 кПа (~50—100 атм).

Эту трудность все же удалось обойти, изготовив двухслойные ацетатцеллюлозные мембраны. Один слой у них «толстый», обеспечивающий механическую прочность мембраны (каркас мембраны), а другой — тонкий активный, с мельчайшими порами. Кроме того, необходимо добиваться, чтобы поры мембран, пропускающие, например, только воду, были одного размера.

При создании аппаратов обратного осмоса обязательным требованием к их конструкции должно быть осуществление большой скорости протекания раствора и отсутствие падения давления раствора у мембраны вследствие повышения концентрации задерживаемого вещества. Последнее как раз и достигается лучшим перемешиванием раствора с повышением скорости течения жидкости.

НАВЕРНОЕ, ИМЕЕТ ЗНАЧЕНИЕ И ТО, КАК УЛОЖЕНЫ МЕМБРАНЫ.

Наиболее проста плоскопараллельная укладка мембран (рис. 18). «Бутерброды» из пористой подложки и мембраны укладывают один на другой и стягивают болтами. Конструкция предусматривает быструю замену вышедшей из строя мембраны.

Рис. 18. Аппарат с плоскопараллельной укладкой мембран

Разделяемый раствор с достаточно высокой скоростью протекает в узком зазоре между «бутербродами». Дальнейшее усовершенствование аппаратов пошло по линии разработки новых систем мембран и их укладки, повышения плотности упаковки мембран (более 500 м² на 1 м³ объема).

Наиболее перспективными и получившими применение считаются аппараты с мембранами в виде полых волокон толщиной с человеческий волос. Здесь поверхность мембран может составлять уже десятки тысяч квадратных метров в 1 м³ объема.

Кроме использования аппаратов обратного осмоса для очищения промышленных, в том числе и сельскохозяйственных, сточных вод следует отметить получение с их помощью пресной воды на кораблях дальнего плавания, регенерирование воды экипажами космических кораблей. Сгущенное молоко, фруктовые и овощные; соки еще вкуснее и полезнее, если их концентрирование производилось обратным осмосом, позволяющим сохранить все вещества, содержащиеся в натуральных продуктах.

РАССКАЖИТЕ О ПРОМЫШЛЕННОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОДЫ.

Приведем схему такой установки (рис. 19). Она не требует особых пояснений, отметим лишь главное. Установка обратного осмоса позволяет очищать стоки (в отличие от методов отстойников) от любых загрязнений: органических и неорганических веществ, бактерий и вирусов. Очищенную воду очень высокого качества можно вновь использовать на производстве. Происходит, кроме того, концентрация стоков, а это облегчает извлечение растворенных в них ценных веществ, превращая любое производство в безотходное.

Многие проблемы еще предстоит решить. И решение каждой из них будет открывать новые заманчивые перспективы исследований и внедрения их результатов в производство. Важно то, что освоение обратного осмоса вышло за пределы лабораторий и осмос все шире работает на людей, являясь реальным результатом научно-технического прогресса.

Рис. 19. Схема промышленной установки регенерации воды

5. Настоящее и будущее солитонов

В августе 1834 г. вблизи английского города Эдинбурга молодым человеком по имени Джон Скотт Рассел (1808–1882) было сделано одно из самых интересных открытий в физике, значение которого не только не было по достоинству оценено его современниками, но про которое вообще не вспоминали более 130 лет.

Что же за открытие произвел Рассел, увидевший в, казалось бы, обычном явлении то, что не заметили другие и что сейчас стало темой тысяч научных работ в физике, математике, гидромеханике, астрофизике, океанографии, биологии?

ПОСЛЕ ТАКОГО ВСТУПЛЕНИЯ МОЖНО ЖДАТЬ ЧЕГО-ТО СВЕРХЪЕСТЕСТВЕННОГО…

Выполняя поручение одной из компаний, Рассел исследовал возможность движения по каналу, соединяющему Эдинбург с Глазго, паровых судов вместо небольших барж, перемещавшихся с помощью лошадей. Рассел проводил испытания с баржами различной формы, движущимися с различными скоростями.