Очистка воды и гемодиализ

Полупроницаемые мембраны играют важную роль в нормальном функционировании многих живых систем. Кроме того, они используются в самых разных промышленных и медицинских целях. Мембраны с различными характеристиками проницаемости были разработаны для множества задач. Одна из них — очистка воды методом обратного осмоса.

Предположим, мы поместили полупроницаемую мембрану между солевым раствором и чистой водой. Если солевой раствор находится под давлением, превышающим его осмотическое давление, направление потока можно изменить на противоположное. То есть чистый поток молекул воды будет направлен из солевого раствора через мембрану в чистую воду. Этот процесс называется обратным осмосом.

Мембрана обычно состоит из ацетата целлюлозы или полых волокон материала, структурно похожего на нейлон. Этот метод используется для очистки солоноватой (слабо солёной) воды. Он имеет экономические преимущества, такие как низкая стоимость, простота конструкции аппарата и лёгкость в эксплуатации. Поскольку этот метод очистки воды не требует нагрева, он имеет значительное преимущество перед дистилляцией.

Установка обратного осмоса, используемая для обеспечения парохода «Норвегия» пресной водой (82 500 галлонов в день)

Город Сарасота во Флориде имеет крупную установку обратного осмоса для очистки питьевой воды. Она обрабатывает более 4 миллионов галлонов воды в день из местных скважин. Общее количество растворённых твёрдых веществ (в основном солей) снижается с 1744 частей на миллион (ppm) (0,1744% по массе) до 90 ppm. Эта вода смешивается с дополнительной водой из скважин, очищенной системой ионного обмена. Конечный продукт составляет более 10 миллионов галлонов воды в день с содержанием менее 500 ppm растворённых твёрдых веществ, что соответствует стандарту Всемирной организации здравоохранения для питьевой воды.

Крупная установка обратного осмоса в Ашкелоне, Израиль, обрабатывает морскую воду, производя более 330 000 кубических метров в день (330 миллионов литров в день) пресной воды. Этого достаточно для удовлетворения 13% внутреннего спроса страны. Установки очистки воды в Кувейте и Саудовской Аравии, которые имели стратегическое значение во время войны в Персидском заливе, используют обратный осмос на одном из своих основных этапов.

Портативная установка обратного осмоса, предназначенная для индивидуального использования

Метод очистки воды обратным осмосом

Почки человека выполняют множество важных функций. Одна из самых важных — удаление продуктов метаболизма (например, креатинина, мочевины и мочевой кислоты) из крови без удаления веществ, необходимых организму (например, глюкозы, электролитов и аминокислот). Процесс, с помощью которого это осуществляется в почках, включает диализ — явление, при котором мембрана позволяет переносить как молекулы растворителя, так и определённые молекулы и ионы растворённых веществ, обычно небольшие. Многие пациенты с почечной недостаточностью могут проходить диализ с помощью аппарата искусственной почки. В этой механической процедуре, называемой гемодиализом, кровь забирается из организма и проходит в контакте с полупроницаемой мембраной.

Схематическое изображение диализатора с полыми волокнами (или капиллярами), наиболее часто используемого аппарата искусственной почки. Кровь протекает через множество маленьких трубок, изготовленных из полупроницаемого мембранного материала; эти трубки погружены в диализирующий раствор

Мембрана отделяет кровь от диализирующего раствора (диализата), который по концентрации необходимых веществ (например, электролитов и аминокислот) похож на плазму крови, но не содержит продуктов метаболизма. Поскольку концентрация нежелательных веществ в крови выше, чем в диализате, они преимущественно выходят из крови и удаляются. Концентрации необходимых веществ одинаковы по обе стороны мембраны, поэтому эти вещества сохраняются в крови на нужном уровне. Малый размер пор мембраны предотвращает прохождение клеток крови.

Однако ионы Na⁺ и Cl⁻, а также некоторые небольшие молекулы проходят через мембрану. Пациенту с полной почечной недостаточностью может потребоваться до четырёх сеансов гемодиализа в неделю продолжительностью 3–4 часа каждый. Чтобы снизить стоимость такого лечения, диализатный раствор позже очищается с помощью комбинации фильтрации, дистилляции и обратного осмоса, а затем используется повторно.