Chống thấm ngược hoạt động như thế nào?

Đừng cảm thấy ngu ngốc nếu bạn đã từng xem một câu chuyện tin tức về một trận hạn hán khủng khiếp, sau đó quay sang máy tính để xem bảo vệ màn hình bãi biển tuyệt đẹp của bạn và nghĩ, "Tại sao họ không sử dụng nó?"

Tất nhiên, trong một thời gian ngắn, bạn có thể đã tạo ra một vài điểm cho mình. Một, biển mặn. Thứ hai, nước mặn không quá tốt để uống hoặc trồng cây. Thứ ba, bạn không thể tách muối ra khỏi nước , giống như bạn không thể hòa tan đường ra khỏi trà. Hoặc bạn có thể?

Thẩm thấu ngược là một trong những quá trình giúp khử muối (hoặc loại bỏ muối khỏi nước biển). Ngoài ra, thẩm thấu ngược được sử dụng để tái chế, xử lý nước thải và thậm chí có thể sản xuất năng lượng.

Các vấn đề về nước đã trở thành một mối đe dọa toàn cầu vô cùng cấp bách. Với biến đổi khí hậu, các tác động môi trường chưa từng có: lũ lụt xối xả ở một số khu vực, hạn hán ở những khu vực khác, mực nước biển dâng và giảm. Thêm vào đó là mối đe dọa về dân số quá đông - và nhu cầu và ô nhiễm mà dân số tăng lên - và nước trở thành một trong những vấn đề môi trường tối quan trọng cần phải theo dõi trong thế hệ tiếp theo.

Các nhà máy và hệ thống xử lý nước hiện đang thích ứng với phương pháp thẩm thấu ngược để giải quyết một số mối quan tâm này. Ở Perth, Úc (đặc biệt là khô và khô cằn, nhưng được bao quanh bởi biển), gần 17 phần trăm nước uống của khu vực là nước biển đã được khử muối từ một nhà máy thẩm thấu ngược [nguồn: The Economist ]. Trên toàn thế giới, hiện nay có hơn 13.000 nhà máy khử muối trên thế giới, theo Hiệp hội khử mặn quốc tế.

Nhưng mặc dù biết rằng thẩm thấu ngược có thể chuyển nước biển thành nước uống là hữu ích, nhưng điều chúng ta thực sự cần hiểu là quá trình này xảy ra như thế nào. Giả sử rằng bạn đã hiểu khá tốt về định nghĩa của "đảo ngược", tốt hơn chúng ta nên bắt đầu bằng cách xem xét cách thức hoạt động của thẩm thấu trước khi chúng ta kết hợp cả hai lại với nhau.

Chúng ta hãy tìm hiểu về thẩm thấu bằng cách lọc qua trang tiếp theo.

1. Thẩm thấu là gì?
2. Thẩm thấu xuống, lật nó và đảo ngược nó
3. Thẩm thấu ngược được sử dụng ở đâu?
4. Các ứng dụng quy mô nhỏ hơn của thẩm thấu ngược
5. Nhược điểm của thẩm thấu ngược

Thẩm thấu là sự di chuyển hoặc khuếch tán của nước hoặc các dung môi khác qua một màng bán thấm ngăn chặn sự di chuyển của các chất hòa tan [nguồn: Encyclopedia Britannica ].

Cái gì, bạn không hiểu? Không sợ hãi. Hầu hết chúng ta không, đó là lý do tại sao có vô số cách giải thích và loại suy để làm rõ sự thẩm thấu. Chúng ta sẽ khám phá một vài trong số đó, nhưng trước tiên hãy phân tích sự thẩm thấu xuống các bộ phận của nó để nắm bắt về nó.

Đầu tiên, chúng tôi sẽ đưa ra giải pháp của mình. Chúng tôi bắt đầu với một cốc nước cũ nhàm chán. Để thêm gia vị cho mọi thứ, chúng tôi sẽ gọi nước là "dung môi" - điều này rất tiện lợi, bởi vì nó là như vậy. Để làm cho dung môi của chúng tôi ngon hơn một chút, chúng tôi sẽ hòa tan trong một số đường ngon. Đường là chất tan. Để theo dõi, bây giờ chúng ta có nước (dung môi) mà chúng ta đã hòa tan đường (chất tan) vào, để tạo ra nước đường (dung dịch của chúng ta).

Bây giờ chúng ta đã có dung dịch nước đường, chúng ta sẽ lấy một ống chữ U. Đây không phải là một video internet về mèo con và khỉ ôm nhau; ống chữ U là một cái cốc, có dạng hình chữ u. Ngay giữa ống, hãy tưởng tượng một chút về Gore-tex cắt chữ U làm đôi. Gore-tex là "màng bán thấm" của chúng tôi. Gore-tex là một loại nhựa mỏng, được điểm xuyết bởi hàng tỷ lỗ nhỏ cho phép hơi nước đi qua, nhưng chất lỏng sẽ ở bên ngoài. (Saran quấn không cho bất cứ thứ gì xuyên qua, và một mảnh vải bông sẽ không để lọt bất cứ thứ gì.)

Trong một cánh tay của ống chữ U, chúng tôi đổ hỗn hợp nước đường của chúng tôi. Trên một cái khác, chúng tôi đổ nước cũ thông thường của chúng tôi. Đó là khi sự kỳ diệu của thẩm thấu bắt đầu, nếu bạn thấy sự chuyển động của nước là kỳ diệu. Mức chất lỏng trong nhánh nước đường sẽ từ từ tăng lên, khi dung môi (nước) di chuyển qua Gore-tex, để làm cho cả hai bên của nhánh nước đường bằng nhau hơn.

Nhưng tại sao điều đó lại xảy ra? Nói một cách đơn giản, vì nước muốn tìm lại trạng thái cân bằng. Và bởi vì một bên của cánh tay có rất nhiều đường, nước tinh khiết từ bên kia quyết định chuyển sang để làm cho nồng độ bằng nhau hoặc cho đến khi đạt đến áp suất thẩm thấu (áp suất xảy ra khi các phân tử chuyển động).

Vì vậy, bạn đây; thẩm thấu là khi một dung môi của dung dịch chất tan có nồng độ thấp di chuyển qua màng để đến dung dịch có nồng độ cao hơn, do đó nó sẽ yếu đi. Bạn làm được rồi!

Bây giờ, sau khi chỉ ra cách thẩm thấu hoạt động theo một hướng có ý nghĩa như thế nào, chúng ta hãy ném tất cả điều đó ra ngoài cửa sổ và đảo ngược nó. Lùi lại trang tiếp theo để tìm hiểu thêm.

Freddie Mercury và David Bowie đều nhận ra rằng áp lực có thể thiêu rụi một tòa nhà, chia cắt một gia đình làm hai, dồn mọi người ra đường và cũng tạo ra một giai điệu hấp dẫn nghiêm túc. Một điều họ đã bỏ qua? Áp lực đó cũng làm cho quá trình thẩm thấu ngược hoạt động.

Vì vậy, chúng tôi đã học được rằng trong thẩm thấu, dung dịch có nồng độ thấp hơn sẽ lọc dung môi của nó thành dung dịch có nồng độ cao hơn. Trong thẩm thấu ngược, chúng tôi (theo nghĩa đen) chỉ đang đảo ngược quá trình, bằng cách làm cho dung môi của chúng tôi lọc ra khỏi chất cô đặc cao của chúng tôi thành dung dịch cô đặc thấp hơn. Vì vậy, thay vì tạo ra sự cân bằng hơn giữa dung môi và chất tan trong cả hai dung dịch, nó đang tách chất tan ra khỏi dung môi.

Nhưng như chúng tôi đã khám phá, đó không phải là điều mà các giải pháp thực sự muốn làm. Làm thế nào để chúng tôi làm cho thẩm thấu ngược xảy ra? Cũng giống như Bowie và Freddie, chúng tôi đặt ra giải pháp dưới áp lực. Hãy lấy nước mặn làm ví dụ:

In reverse osmosis, we'd have ourselves a saltwater solution on one side of a tank and pure water on the other side, separated by a semi-permeable membrane. We would apply pressure to the saltwater side of the tank--enough to counteract the natural osmotic pressure from the pure water side, and then to push the saltwater through the filter. (This takes about 50-60 bars of pressure [source: Lenntech]. But because of the size of the salt molecules, only the smaller water molecules would make it to the other side, thus adding fresh water to the water side, and leaving the salt on the other.

Và thì đấy, bạn đã thấy thẩm thấu ngược. Để chưng cất nó (ha!): Thẩm thấu ngược diễn ra khi áp suất tác dụng lên dung dịch chất tan có nồng độ cao làm cho dung môi đi qua màng để đến dung dịch có nồng độ thấp hơn, để lại nồng độ chất tan cao hơn ở một bên, và chỉ có dung môi trên khác.

Thật tuyệt khi có thể xác định thẩm thấu ngược trong các bữa tiệc tối, nhưng có những cách sử dụng thú vị đáng ngạc nhiên đối với thẩm thấu ngược có thể làm cho cuộc trò chuyện trở nên hấp dẫn hơn. Hãy chuyển sang trang tiếp theo để tìm hiểu thêm về những gì chúng ta có thể làm với thẩm thấu ngược.

Không giống như thẩm thấu, chúng ta không thể đơn giản xem hiện tượng thẩm thấu ngược xảy ra trong nhiều trường hợp hàng ngày. Chỉ vào những năm 1950, khi các nhà nghiên cứu bắt đầu khám phá cách khử muối trong nước đại dương , thẩm thấu ngược mới được đưa ra như một khả năng. Họ phát hiện ra rằng việc tạo áp lực lên vùng nước mặn có thể tạo ra nhiều nước ngọt hơn, nhưng lượng nước mà họ tạo ra là cực kỳ nhỏ và không hữu ích trên bất kỳ quy mô thực tế nào. Những gì đã thay đổi?

Một bộ lọc tiên tiến hơn nhiều, được tạo ra bởi hai nhà khoa học của UCLA. Các màng đúc thủ công làm từ axetat tế bào (một loại polyme được sử dụng trong phim ảnh) cho phép lượng nước lớn hơn di chuyển qua nhanh hơn nhiều và nhà máy khử muối thẩm thấu ngược đầu tiên bắt đầu vận hành quy mô nhỏ ở Coalinga, California vào năm 1965 [nguồn: The Economist ].

Điều này dẫn chúng ta đến một trong những ứng dụng phổ biến nhất của phương pháp thẩm thấu ngược mà chúng ta đã thảo luận: khử muối trong nước. Điều đó bao gồm các nhà máy lớn (có hơn 100 quốc gia sử dụng phương pháp khử muối) hoặc các hoạt động nhỏ hơn - ví dụ: loại bộ lọc bạn có thể sử dụng khi cắm trại để đảm bảo nguồn cung cấp nước uống lành mạnh [nguồn: FDU ].

Thẩm thấu ngược cũng là một trong số ít cách mà chúng ta có thể lấy một số khoáng chất hoặc hóa chất ra khỏi nguồn cung cấp nước. Một số nguồn nước có hàm lượng fluor tự nhiên rất cao, có thể dẫn đến tình trạng nhiễm fluor ở men răng (răng có đốm), hoặc tình trạng nhiễm fluor ở xương nghiêm trọng hơn nhiều (sự uốn cong thực tế của xương hoặc khung xương của một người). Thẩm thấu ngược có thể lọc bỏ florua, hoặc các tạp chất khác, trên quy mô lớn theo cách mà bộ lọc dựa trên than củi (như bộ lọc thường thấy trong gia đình) không thể làm được.

Nó cũng được sử dụng cho mục đích tái chế; hóa chất được sử dụng để xử lý kim loại để tái chế tạo ra nước thải có hại, và thẩm thấu ngược có thể kéo nước sạch ra ngoài để xử lý hóa chất tốt hơn. Nhưng thậm chí còn thú vị hơn tái chế? Xử lý thẩm thấu ngược nước thải, trong đó nước thải trải qua quá trình này để tạo ra thứ có thể uống được. Họ đặt biệt danh cho nó là " nhà vệ sinh có vòi" là có lý do, và mặc dù nó có thể khiến bạn tạm dừng, nhưng đó là một cách đầy hứa hẹn cho các quốc gia đang phát triển để sản xuất nước uống.

Nhưng thẩm thấu ngược cũng được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác; Trên thực tế, xi-rô cây phong được sản xuất bằng cách thẩm thấu để tách chất cô đặc có đường khỏi nước trong nhựa cây. Ngành công nghiệp sữa sử dụng phương pháp lọc thẩm thấu ngược để cô đặc váng sữa và sữa, và ngành công nghiệp rượu vang đã bắt đầu sử dụng phương pháp này để lọc ra các yếu tố không mong muốn như một số axit, khói hoặc để kiểm soát nồng độ cồn. Thẩm thấu ngược được sử dụng để tạo ra etanol tinh khiết, không có chất gây ô nhiễm.

One more fun thing about reverse osmosis is that the high pressure that makes reverse osmosis effective can actually recycle itself. High pressure pumps force water through, and the remaining salty water is shot out at an extremely high rate. If this off-shoot is put through a turbine or motor, the pressure can be reused to the pumps that initially force the water through, thus re-harvesting energy.

All this industrial jazz is great, but how does reverse osmosis technology affect you, the consumer, on a smaller scale? Find out on the next page.

Maybe you've decided that you'd like to get your hands on some delicious reverse osmosis water . Why don't you just pour some water into a reverse osmosis pitcher and enjoy a long, cool drink?

Well, it's not quite that simple. Because reverse osmosis requires a certain amount of pressure, you won't find a reverse osmosis filter pitcher. And if you do want reverse osmosis water running through your entire house, you are essentially committing to buying an entirely new water system. But if you just want reverse osmosis water for drinking or cooking, that doesn't mean you've committed to converting your basement to a mini-industrial reverse osmosis plant.

Your first smaller-scale option is an "under the counter" system. A reverse osmosis system is connected to the water supply under your sink, where the water passes through three to five filters to achieve purity. The filtered water is then stored in a storage tank (also under the sink). An entirely separate faucet is then installed on your sink, fed from the storage tank below. Expect to pay an average of $200-500 for a system like this. And remember that you're probably doing the installation yourself, so you might want to be fairly confident in your fix-it skills.

Maybe you're little nervous about installing an entire faucet and water system (or perhaps nervous that your landlord might not be thrilled with your DIY resourcefulness). Renters and not-so-handy folks, rejoice. There are also reverse osmosis countertop filters, which allow you to hook up a small filtration system directly from your sink. Simply attach the "feed" line to the faucet, turn the faucet on, and the water is filtered through a small system that's small enough to cram next to the microwave . The purified water line can then be placed in a pitcher for easy, accessible purified water.

But they might not be ideal for everyone; keep in mind that the countertop systems can be quite slow due to lower-flow water faucets, and they'll cost around $150 at least -- not to mention the cost of changing the filters (about $30) every few months.

Let's shoot through to the next page to see some more of the drawbacks of reverse osmosis.

So now we've seen some of the ways we can harness reverse osmosis to work for us. But does asking nature to reverse itself necessarily a good idea? There are a few issues that arise from using reverse osmosis, and we'll start with checking out what happens in desalination reverse osmosis.

Sau khi nước được lọc, bạn còn lại nước uống đáng yêu. Nhưng mặt khác, bạn còn cả đống muối để giải quyết. Bạn sẽ làm gì với nước muối, thường chứa gấp đôi lượng muối so với nước biển [nguồn: The Economist ]? Có vấn đề gì không khi đổ nước muối đó trở lại đại dương? Theo Trung tâm Nghiên cứu Nước của Úc, độ mặn dường như trở lại bình thường khoảng 500 mét (khoảng 1.600 feet) từ nguồn [nguồn: The Economist ]. Tuy nhiên, vẫn chưa ai có câu trả lời rõ ràng về việc các kim loại và hóa chất bị mắc kẹt trong nước muối có thể gây ra tác động đến môi trường hay không.

Nói chung, hệ thống thẩm thấu ngược cũng không hoàn toàn tự duy trì. Ví dụ, nước phải được xử lý trước bằng hóa chất, vì vậy không có gì sẽ làm tắc màng mịn. Và bản thân màng không hoàn toàn dễ xử lý; nó phải được làm sạch thường xuyên, và có thể bẫy vi khuẩn. Mối quan tâm duy nhất đối với các nhà máy khử muối là cá nhỏ hoặc sinh vật biển có thể bị hút vào hệ thống; điều chỉnh áp suất và vận tốc đầu vào thường có thể ngăn ngừa tác hại.

Trở ngại lớn nhất của hệ thống lọc thẩm thấu ngược là giá thành. Đối với một quốc gia đang phát triển, việc lắp đặt hệ thống thẩm thấu ngược là một khả năng khá phi thực tế. Các tổ chức như WHO và UNICEF coi việc xây dựng kế hoạch xử lý nước thẩm thấu ngược - để loại bỏ độc tố hoặc cung cấp nguồn nước sạch - là một phần trong sứ mệnh của họ.

Đối với việc sử dụng cá nhân, hệ thống thẩm thấu ngược có thể tạo ra năng suất thấp một cách đáng thất vọng. Một hệ thống điển hình sẽ chỉ có thể tái sử dụng khoảng 5 đến 15 phần trăm lượng nước được bơm vào, do đó để lại tới 85 phần trăm nước thải [nguồn: NDSU ].

Thẩm thấu ngược - và các cách thức hoạt động và không hoạt động - có thể khiến bạn hơi nản lòng. Nhưng nếu bạn muốn biết thêm thông tin về thẩm thấu ngược, hãy chuyển đến trang tiếp theo nơi bạn có thể tìm thấy nhiều thông tin hơn.

Bơi cùng những chú cá

Bạn nghĩ rằng bạn cần một ít nước thẩm thấu ngược cho những chú cá bảy màu yêu quý của mình? Bạn có thể muốn suy nghĩ lại. Trong khi các đơn vị thẩm thấu ngược chắc chắn có thể lọc ra rất nhiều tạp chất có hại, bạn cũng sẽ cần bổ sung một số khoáng chất cần thiết trở lại trong quá trình này. Đảm bảo nghiên cứu những gì được đưa ra khỏi nước trong quá trình thẩm thấu ngược và những khoáng chất nào mà cá của bạn cần để phát triển [nguồn: Foster and Smith Aquatics ].

Những bài viết liên quan