Osmoza i odwrócona osmoza – na czym polegają?

Osmoza to naturalny proces, który polega na mieszaniu się dwóch cieszy za pośrednictwem półprzepuszczalnej membrany. Jest dyfuzją rozpuszczalnika, która rozdziela dwa roztwory o różnym stężeniu. Warto pamiętać, że dyfuzja jest pojęciem szerszym i dotyczy wszystkich związków.

W procesie dyfuzji — inaczej niż w przypadku osmozy — nie występuje półprzepuszczalna membrana. Osmoza jest więc szczególnym rodzajem dyfuzji. Termin osmoza po grecku oznacza „pchnięcie” lub „impuls”, co doskonale ujmuje istotę zjawiska. Po raz pierwszy użył go Jean-Antoine Nollet, profesor fizyki eksperymentalnej, w 1747 r.

Jak przebiega osmoza?

W dużym uproszczeniu osmoza polega na przechodzeniu przez membranę cząsteczek cieczy z roztworu o stężeniu mniejszym (hipotonicznym) do roztworu o stężeniu większym (hipertonicznym), to jest takim, który ma większe stężenie cząsteczek.

Zjawisko osmozy zachodzi we wszystkich organizmach żywych. Rośliny wykorzystują zjawiska osmotyczne do transportu wody od korzeni do liści. U zwierząt jest ona elementem procesów homeostazy.

Oczyszczanie wody za pomocą osmozy

Osmozę stosuje się także w wielu dziedzinach, tak w nauce czy przemyśle, jak i w codziennym życiu (np. w procesie oczyszczania wody). Dzięki niej można na przykład usunąć zanieczyszczenia i sprawić, że woda będzie czysta. Na czym to polega?

Proces osmozy polega na przepływie czystej wody przez membranę półprzepuszczalną, z wyższego stężenia rozpuszczonej substancji do obszaru o niższym stężeniu — aż do osiągnięcia równowagi w procentach rozpuszczonych substancji po obu stronach membrany. Jeśli ciśnienie jest wystarczająco wysokie (nazywane ciśnieniem osmotycznym), aby zatrzymać przepływ wody przez membranę, proces zostaje zatrzymany.

Membrana przepuszcza pewne cząsteczki (np. cząsteczki wody), ale innych nie (np. cząsteczki soli). Jest to możliwe, ponieważ zarówno cząsteczki rozpuszczalnika, jak i substancji rozpuszczonej wewnątrz cieczy pozostają w spontanicznym, chaotycznym, ciągłym, ruchu. Przemieszczają się we wszystkich kierunkach. Oznacza to, że pewne jest, iż każda z nich zderzy się z membraną. W sytuacji, gdy trafi w miejsce, gdzie znajduje się otwór, przepływa na drugą stronę.

Aby doszło do osmozy, błona rozdzielająca roztwory musi mieć inną przepuszczalność dla rozpuszczalnika, a inną dla substancji rozpuszczonej. Oznacza to, że błona przepuszcza mniejsze cząsteczki rozpuszczalnika i zatrzymuje większe cząsteczki substancji rozpuszczonej.

Odwrócona osmoza to proces wykorzystywany w filtrach do wody, w którym by usunąć z wody zanieczyszczenia i substancje organiczne, pozostawiając jedynie czystą i krystaliczną wodę, stosuje się membranę osmotyczną. Proces odwróconej osmozy jest podobny do procesu osmozy, jednak odbywa się w odwrotnym kierunku. Jak to działa?

Membrana jest traktowana jako filtr, za pomocą którego rozpuszczone substancje są odfiltrowywane z wody. W jej przebiegu wykorzystuje się wysokie ciśnienie po stronie roztworu, dzięki czemu woda może przepłynąć przez membranę osmotyczną z zanieczyszczonej wody (obszar o wyższym stężeniu rozpuszczonej substancji) do czystej wody (obszaru o niższym stężeniu).

Oczyszczanie wody za pomocą odwróconej osmozy

Odwracając ciśnienie osmotyczne i przepychając wodę pod ciśnieniem przez membranę, małe cząsteczki wody mogą przechodzić przez membranę, a większe cząsteczki lub cząsteczki chemiczne — nie.

W rezultacie czysta woda jest zbierana po stronie wewnętrznej membrany. Zanieczyszczenia pozostają z tyłu, w przestrzeni przed membraną. W ten sposób woda jest oczyszczana z:

• bakterii,
• wirusów,
• metali ciężkich,
• związków organicznych (pestycydy, herbicydy, leki, detergenty),
• soli mineralnych (chlor, fluor, siarczany, węglany, sód, magnez czy wapń).

Proces odwróconej osmozy filtruje zanieczyszczenia, lecz pozbawia wodę związków wapnia i magnezu, które odpowiadają za utrzymanie minimalnej twardości wody, stąd wodę trzeba mineralizować.

Woda poddawana procesowi odwróconej osmozy jest nie tylko czysta, ale i smaczna. Może być stosowana do picia, gotowania, przygotowywania kawy czy herbaty. Filtr z odwróconą osmozą zazwyczaj montuje się w szafce pod zlewem kuchennym.