پدیده اسمز
اسمز پدیده‌ای است که طی آن عبور خود به خود یا انتشار آب یا سایر حلال‌ها از طریق غشای نیمه نفوذپذیر (یک نوعی از غشا که عبور مواد حل شده را مسدود می کند) صورت می‌گیرد. پدیده اسمز که در زیست شناسی بسیار اهمیت دارد، اولین بار در سال ۱۸۷۷ توسط یک فیزیولوژیست گیاهی آلمانی به نام ویلهلم ففر (Wilhelm Pfeffer) مورد مطالعه قرار گرفت. محققان پیشین در این زمینه، مطالعات کمتری راجع به غشاهای نیمه نفوذپذیر یا غشای نیمه تراوا و عبور از طریق آن‌ها در جهت‌های مخالف آب و مواد فرار انجام داده بودند. اصطلاح عمومی اسمز در سال ۱۸۵۴ توسط یک شیمیدان انگلیسی به نام توماس گراهام (Thomas Graham) معرفی شد.
اگر یک محلول از حلال خالص درون یک غشا نفوپذیر به حلال و غیرنفوذپذیر به حل شونده قرار گیرد، محلول تمایل دارد با جذب حلال از طریق غشا، رقیق‌تر شود. این فرآیند با افزایش فشار روی محلول توسط مقدار مشخصی، تحت عنوان فشار اسمزی (Osmotic Pressure) قابل توقف است، در واقع فشار اسمزی عبارت از حداقل فشار لازم برای جلوگیری از عبور یک محلول از غشای نیمه نفوذپذیر است. شیمیدان هلندی به نام یاکوبوس هنریکوس وانت‌هوف (Jacobus Henricus van ’t Hoff) در سال ۱۸۸۶ نشان داد که شباهت‌های اساسی بین خواص گازها و محلول‌های رقیق در حجم و فشار وجود دارد و به این ترتیب توانست فشار اسمزی را محاسبه کند. این رابطه منجر به معادلات تعیین وزن مولکولی حل شونده‌ها در محلول‌های رقیق از طریق اثر روی نقطه انجماد، نقطه جوش یا فشار بخار حلال شد.
همان طور که در تصویر بالا مشاهده میکنید، زمانی که غلظت دو محلول در دو طرف غشای نیمه تراوا، برابر هستند، فشار اسمزی وجود ندارند. اما با اضافه کردن قند به یک طرف محلول، آب از محلول سمت راست با غلظت کمتر براساس فشار اسمزی ایجاد شده به سمت محلول غلیظ قندی می‌رود. تفاوت ارتفاع آب در دو سمت لوله نشان دهنده فشار اسمزی است.
اسمز چیست؟
پدیده اسمز (Osmosis) یکی از روش‌های انتشار مواد بین دو مکان مختلف است که در زیست شناسی، معمولا از این پدیده در انتقالات بین سلولی استفاده می‌شود. فرایند انتشار زمانی اتفاق می‌افتد که مولکولها یا اتم‌ها از ناحیه‌‌ای با غلظت بالا به منطقه‌ای با غلظت کم منتقل می‌شوند. پدیده اسمز در مواردی رخ می‌دهد که یک ماده از یک غشای نیمه نفوذپذیر (Semipermeable Membrane) عبور می‌کند تا بتواند غلظت ماده دیگری را متعادل کند.
در زیست شناسی، معمولاً زمانی یک حلال مانند آب به سلول وارد یا از آن خارج می‌شود که غلظت یک حل شونده مانند نمک در دو سمت سلول با هم متفاوت باشد. پدیده اسمز به صورت خود به خود و بدون هیچ گونه صرف انرژی از طرف سلول اتفاق می‌افتد.
در تصویر بالا نیز جریان آب خالص براساس فشار اسمزی حاصل از غلظت نمک در محلول آب و نمک تعیین می‌شود.
حلال‌ها و حل شونده‌ها
پدیده اسمز با محلول‌های شیمیایی (Chemical Solutions) سروکار دارد. محلولها دو بخش دارند، یک بخش آن‌ها را حلال‌ها (Solvent) تشکیل می‌دهند و بخش دوم محلولها از مواد حل شونده (Solute) در حلال ساخته می‌شوند. وقتی ماده حل شونده در حلال حل شود، محصول نهایی به عنوان محلول در نظر گرفته می‌شود. آب نمک نمونه‌ای از یک محلول ساده است. در این محلول نمک به عنوان ماده حل شونده و آب حلال را تشکیل می‌دهد.
انواع محلولها
در زیست شناسی، سه نوع محلول مختلف وجود دارد که سلول‌‌ها می‌توانند در آن قرار گیرند، این سه نوع محلول، شامل موارد زیر هستند:
- محلول ایزوتونیک (Isotonic Solution)
- محلول هیپوتونیک (Hypotonic Solution)
- محلول هایپرتونیک (Hypertonic Solution)
انواع مختلفی از محلولها به دلیل پدیده اسمز در سلول اثرات متفاوتی دارند.
محلول ایزوتونیک
محلول ایزوتونیک، به محلولی می‌گویند که غلظت مواد حل شونده آن، در داخل و خارج از سلول یکسان است. به عنوان مثال، اگر در سلولی غلظت نمک درون آن مشابه غلظت نمک در آب و سیال اطراف سلول باشد، می‌گویند آن سلول در محلول ایزوتونیک قرار گرفته است. در این شرایط، هیچ حرکت خالصی از حلال بین خارج و داخل سلول وجود ندارد. در این حالت، مقدار آب ورودی و خروجی از غشای سلول مساوی است.
محلول هیپوتونیک
در یک محلول هیپوتونیک، غلظت بیشتری از مواد حل شونده در داخل سلول نسبت به خارج از سلول وجود دارد. وقتی این اتفاق بیفتد، حلال بیشتری وارد سلول می‌شود تا غلظت مواد حل شونده را در دو سوی سلول متعادل کند.
محلول هایپرتونیک
محلول هایپرتونیک نقطه مقابل محلول هیپوتونیک است، به طوری که در خارج از سلول، غلظت مواد حل شونده بیشتری نسبت به غلظت مواد حل شونده درون سلول وجود دارد. در این نوع محلول، برای کاهش غلظت مواد حل شونده در خارج از سلول، حلال بیشتری از سلول خارج می‌شود تا غلظت محلول خارجی با غلظت محلول داخل سلول به تعادل برسد.
چگونه پدیده اسمز بر سلول‌‌ها تأثیر می‌گذارد؟
اسمز در سلولهای گیاهی و حیوانی متفاوت است، زیرا سلولهای گیاهی و حیوانی می‌توانند غلظت‌های مختلف آب را تحمل کنند. در محلول هیپوتونیک، یک سلول حیوانی با آب و مواد تجزیه کننده بیش از حد پر می‌شود. با این حال سلولهای گیاهی به آب بیشتری نسبت به سلولهای حیوانی احتیاج دارند و به دلیل دیواره‌‌های ضخیم سلولی که دارند، با قرارگیری در محلول هیپوتونیک تخریب نمی‌شوند. محلول‌های هیپوتونیک برای سلولهای گیاهی ایده‌آل هستند، در حالی که شرایط مطلوب سلول حیوانی قرار گرفتن در محلول ایزوتونیک، با مقدار مساوی آب و مواد حل شونده در داخل و خارج سلول است.
هنگامی که سلول گیاهی در محلول ایزوتونیک قرار دارد، سلولهای آن دیگر متورم و پر از آب نیستند و برگ‌های گیاه پژمرده شده و از بین می‌روند. در محلول هایپرتونیک، آب از هر دو سلول حیوانی و گیاهی بیرون خواهد آمد و سلول‌‌ها کوچک شده و خشک می‌شوند (در گیا‌هان، به این عمل پلاسمولیزاسیون گفته می‌شود). به همین دلیل است که وقتی بر روی حلزونها نمک پاشیده می‌شود، حلزونها کوچک شده و می‌میرند، در این حالت مولکول‌های آب سلولهای خود را به منظور تعادل بیشتر غلظت نمک در خارج از سلول‌‌ها، ترک می‌کنند.
شکل زیر اثر اسمز در گلبول‌های قرمز را نشان می‌دهد:
اصطلاحات مربوط به پدیده اسمز
- انتشار (Diffusion): فرآیندی که توسط آن مولکولها از مناطقی با غلظت بالا به مناطق با غلظت کم منتقل می‌شوند، انتشار نام دارد. اسمز یکی از انواع روش‌های انتشار به شمار می‌آید.
- محلول (Solution): محلول، از مخلوط دو یا چند ماده تشکیل شده است که در آن یک ماده، به عنوان حلال، مواد دیگر را به عنوان حل شونده در خود حل می‌کند.
- غشای نیمه نفوذ پذیر (Semipermeable): به غشای نیمه نفوذ پذیر، غشایی با نفوذ پذیری انتخابی نیز می‌گویند. این بدان معنی است که فقط برخی از مواد می‌توانند از این سد یا غشا عبور کنند. غشای سلولی یک غشای نیمه نفوذپذیر است.
- سلول (Cell): کوچک‌ترین واحدی که یک ارگانیسم زنده را تشکیل می‌دهد، سلول نام دارد. یک سلول شامل بخش‌‌های مختلفی به نام اندامک‌‌ها است که دارای کارکرد‌هایی مانند ذخیره مواد ژنتیکی و ساختن پروتئین‌‌ها و تولید و ذخیره انرژی هستند.
اسمز معکوس چیست؟
تصفیه آب یکی از فرایند‌های پیچیده و ضروری در تاریخ بشر است؛ بدون دانش تصفیه آب قطعاً نمی‌توانستیم آب مورد نیاز، جهانی با بیش از ۷ میلیارد انسان را تامین کنیم. در فرایند تصفیه آب از تکنولوژی‌هایی استفاده می‌شود که املاح مضر و عوامل بیماری‌زا همانند باکتری، قارچ، ویروس و سایر میکروارگانیزم‌ها را به خوبی از آب حذف می‌شود تا آبی گوارا و سالم بنوشیم. اسمز معکوس نقش بسیار مهمی در تصفیه آب دارد.
اسمز معکوس چگونه کار می‌کند؟
در دستگاه‌های تصفیه آب، آب ابتدا از پیش تصفیه‌ها عبور داده می‌شود تا شن، ماسه، گل و لای از آب گرفته شود تا آب زلال‌تر شود. در ادامه آب با فشار وارد فیلتر اسمزمعکوس می‌شود و فیلتر اسمز معکوس یا ممبران از چند لایه غشاء نیمه تروا تشکیل شده که منافذ بسیار‌ریزی دارد و هر ذراتی که بزرگتر از ۱ دهم میکرون باشد را از آب می‌گیرد و به فاضلاب می‌ریزد. در واقع فیلتر ممبران همانند یک صافی ریز عمل می‌کند که ناخالصی‌ها ریز را فیلتر می‌کند.
کاربرد اسمز معکوس چیست؟
بهتر است بدانید که تکنولوژی‌های اسمز معکوس برای تصفیه آب شهری، لب شور و شور در انواع مختلفی طراحی و تولید شده است. در واقع ممبران RO یا همان اسمز معکوس در دستگاه‌های تصفیه آب خانگی تا تی دی اس ۱۰۰۰ را می‌توانند تصفیه کنند. آب با تی دی اس ۱۰۰۰ پس از عبور از فیلتر ممبران خالص شده و املاح آب به زیر ۱۰۰ PPM خواهد رسید.
از مهمترین کاربرد اسمز معکوس می‌توان به تامین آب دستگاه‌های دیالیز، آب مورد نیاز دیگ‌های بخار، تامین آب برای کارخانه‌های دارو‌سازی و لوازم بهداشتی، تبدیل آب شور به شیرین و… اشاره کرد. لازم به ذکر است که کاربرد روش اسمز معکوس در تصفیه فاضلاب بسیار زیاد است اما هزینه‌های زیادی را به همراه خواهد داشت و به‌صرفه نیست.
آیا اسمز معکوس برای تصفیه آب آشامیدنی به‌صرفه است؟
اگر آب شهری با تکنولوژی RO یا همان اسمز معکوس که برای حذف یون، مولکول و ذرات بزرگتر طراحی شده، استفاده شود، هزینه‌های بسیار سنگینی را در پی خواهد داشت. تقریباً می‌توان گفت که شیرین‌سازی آب شور با تکنولوژی اسمز معکوس بسیار گران است.
در منازل نیز نمی‌توان در ورودی از دستگاه‌های تصفیه آب RO استفاده کرد. چرا که برای شستشو بهتر است از آبی استفاده کنیم که حاوی کلر باشد. کلر برای نوشیدن مضر است؛ اما برای شستشوی ظروف، میوه و سبزی مفید است. به همین دلیل از دستگاه‌ها تصفیه آب در زیر سینک استفاده می‌شود که فقط آب را برای آشامیدن تصفیه کنند نه کل آب ورودی ساختمان را، چرا که عمر فیلتر‌ها محدود است و دستگاه نیز نمی‌تواند دائماً روشن باشد.
چنانچه در حوزه کاری خود به مشکلی برخورد کرده‌اید و در جستجوی فرد و یا شرکت‌های توانمند برای حل مشکلتان هستید می توانید با عضویت در سامانه گلوپ و ثبت مشکل خود با این افراد و شرکت ها ارتباط برقرار کنید.
برای مشاهده مطالب بیشتر به گلوپ پلاس مراجعه فرمایید.