Полупроницаемая мембрана — это тип биологической или синтетической полимерной мембраны , которая позволяет определенным молекулам или ионам проходить через нее путем осмоса . Скорость прохождения зависит от давления , концентрации и температуры молекул или растворенных веществ с обеих сторон, а также от проницаемости мембраны для каждого растворенного вещества. В зависимости от мембраны и растворенного вещества проницаемость может зависеть от размера растворенного вещества, растворимости , свойств или химического состава. То, как сконструирована мембрана , обеспечивающая избирательную проницаемость, будет определять скорость и проницаемость. Многие натуральные и синтетические материалы, имеющие довольно большую толщину, также являются полупроницаемыми. Одним из примеров этого является тонкая пленка внутри яйца. [1]
Биологические мембраны избирательно проницаемы , [2] при этом прохождение молекул контролируется облегченной диффузией , пассивным транспортом или активным транспортом , регулируемым белками, встроенными в мембрану.
Фосфолипидный бислой является примером биологической полупроницаемой мембраны. Он состоит из двух параллельных, противоположных слоев равномерно расположенных фосфолипидов . Каждый фосфолипид состоит из одной фосфатной головки и двух жирнокислотных хвостов. [3] Плазматическая мембрана , окружающая все биологические клетки, является примером фосфолипидного бислоя . [2] Плазматическая мембрана очень специфична по своей проницаемости , то есть она тщательно контролирует, какие вещества входят в клетку и покидают ее. Поскольку они притягиваются к содержанию воды внутри и снаружи клетки (или гидрофильны ), фосфатные головки собираются вдоль внешней и внутренней поверхности плазматической мембраны, а гидрофобные хвосты представляют собой слой, скрытый внутри мембраны. Молекулы холестерина также находятся по всей плазматической мембране и действуют как буфер текучести мембраны . [3] Фосфолипидный бислой наиболее проницаем для небольших незаряженных растворенных веществ . Белковые каналы встроены в фосфолипиды или через них [4] , и в совокупности эта модель известна как модель жидкостной мозаики . Аквапорины представляют собой поры белковых каналов, проницаемые для воды.
Информация также может проходить через плазматическую мембрану, когда сигнальные молекулы связываются с рецепторами клеточной мембраны. Сигнальные молекулы связываются с рецепторами, что изменяет структуру этих белков. [5] Изменение структуры белка запускает сигнальный каскад. [5] Передача сигналов рецептора, связанного с G-белком, является важным подмножеством таких сигнальных процессов. [6]
Поскольку липидный бислой полупроницаем, он подвержен осмотическому давлению . [7] Когда растворенные вещества вокруг клетки становятся более или менее концентрированными, осмотическое давление заставляет воду поступать в клетку или выходить из нее для достижения равновесия . [8] Этот осмотический стресс подавляет клеточные функции, которые зависят от активности воды в клетке, такие как функционирование ее ДНК и белковых систем, а также правильная сборка ее плазматической мембраны. [9] Это может привести к осмотическому шоку и гибели клеток . Осморегуляция — это метод, с помощью которого клетки противодействуют осмотическому стрессу, и включает в себя осмосенсорные транспортеры в мембране, которые позволяют K+ [примечание 1] и другим молекулам проходить через мембрану. [8]
Искусственные полупроницаемые мембраны находят широкое применение в исследованиях и медицине. Искусственными липидными мембранами можно легко манипулировать и экспериментировать для изучения биологических явлений. [10] Другие искусственные мембраны включают те, которые участвуют в доставке лекарств, диализе и биосепарации. [11]
Объемный поток воды через избирательно проницаемую мембрану из-за разницы осмотического давления называется осмосом . Это позволяет проходить только определенным частицам, включая воду, оставляя после себя растворенные вещества, включая соль и другие загрязнения. В процессе обратного осмоса вода очищается путем приложения к раствору высокого давления и тем самым проталкивания воды через тонкопленочную композитную мембрану (TFC или TFM). Это полупроницаемые мембраны, изготовленные в основном для использования в системах очистки или опреснения воды . Они также используются в химических приложениях, таких как батареи и топливные элементы. По сути, материал ТФК представляет собой молекулярное сито , построенное в виде пленки из двух или более слоистых материалов. Сидни Леб и Шриниваса Сурираджан изобрели первую практическую синтетическую полупроницаемую мембрану. [12] Мембраны, используемые в обратном осмосе, как правило, изготавливаются из полиамида , выбранного в первую очередь из-за его проницаемости для воды и относительной непроницаемости для различных растворенных примесей, включая ионы солей и другие небольшие молекулы, которые невозможно фильтровать.
Мембранные модули обратного осмоса имеют ограниченный жизненный цикл, в нескольких исследованиях была предпринята попытка улучшить производительность процесса и продлить срок службы мембран обратного осмоса. Однако даже при соответствующей предварительной подготовке питательной воды срок службы мембран обычно ограничивается пятью-семи годами.
Выброшенные мембранные модули обратного осмоса в настоящее время классифицируются во всем мире как инертные твердые отходы и часто выбрасываются на свалки с ограниченным повторным использованием. По оценкам, масса мембран, ежегодно выбрасываемых во всем мире, достигает 12 000 тонн. При нынешних темпах утилизация модулей обратного осмоса представляет собой значительное и растущее неблагоприятное воздействие на окружающую среду, что приводит к необходимости ограничить прямой выброс этих модулей.
Мембраны обратного осмоса, выброшенные из операций опреснения, можно переработать для других процессов, которые не требуют критериев интенсивной фильтрации опреснения, их можно использовать в приложениях, требующих мембраны нанофильтрации (NF). [13]
Этапы процесса регенерации:
1- Химическая обработка
Химические процедуры, направленные на удаление загрязнений с отработанной мембраны; используются несколько химических веществ; такой как:
- Гидроксид натрия (щелочной)
- Соляная кислота (кислота)
- Хелатирующие агенты, такие как лимонная и щавелевая кислоты.
Существует три формы воздействия на мембраны химических агентов; простое погружение, рециркуляция чистящего средства или погружение в ультразвуковую ванну.
2 - Окислительная обработка
Он включает в себя воздействие на мембрану растворами окислителей с целью удаления ее плотного ароматического полиамидного активного слоя и последующего преобразования в пористую мембрану. Используются окислители, такие как гипохлорит натрия NaClO (10–12%) и перманганат калия KMnO₄. [14] Эти агенты удаляют органические и биологические загрязнения с мембран обратного осмоса. Они также дезинфицируют поверхность мембраны, предотвращая рост бактерий и других микроорганизмов.
Гипохлорит натрия является наиболее эффективным окислителем с точки зрения проницаемости и отвода солей.
Диализные трубки используются при гемодиализе для очистки крови в случае почечной недостаточности . В трубках используется полупроницаемая мембрана для удаления отходов перед возвратом очищенной крови пациенту. [15] Различия в полупроницаемой мембране, такие как размер пор, меняют скорость и идентичность удаляемых молекул. Традиционно использовались целлюлозные мембраны, но они могли вызывать воспалительные реакции у пациентов. Были разработаны синтетические мембраны, которые более биосовместимы и вызывают меньше воспалительных реакций. [16] Однако, несмотря на повышенную биосовместимость, синтетические мембраны не связаны со снижением смертности. [15]
Другими типами полупроницаемых мембран являются катионообменные мембраны (КЕМ), анионообменные мембраны (АЕМ), щелочные анионообменные мембраны (ААЕМ) и протонообменные мембраны (ПЭМ).