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水的渗透与渗透压:海水淡化和溶解氧的渗透

发表时间:2020/12/20 23:07:56  浏览次数:6435  
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我们都知道人无法直接依靠盐水(海水)生存,而海里的鱼类又是如何在海水中遨游生活的呢?

渗透与反渗透原理 (图片来自网络)

海水鱼的“海水淡化器”

这是因为海水动物们能利用自己身体上的细胞半渗透黏膜来脱盐淡化海水,它们身体的口腔膜、内腔膜和表皮膜等细胞膜都是“海水淡化器”。它们喝进海水后,首先在口腔内通过吸气不断增压,压力差使一部分水渗过黏膜进入机体内。而大部分盐则被阻隔在口腔内,可随水流经鳃裂或排泄道排到体外。

海水鱼的水盐平衡 (图片来自网络)

海水脱盐淡化

受到此机制的启发,科学家们研制出反渗透海水脱盐淡化装置。其中一个关键的材料便是对物质通过具有选择性功能的半透膜。海水淡化所应用的半透膜允许水分子通过,但不允许离子(例如Na+,Mg2+,Cl-等)或较大分子(例如葡萄糖,尿素等)通过。这样在海水淡化的同时,也起到了水质净化的作用。

当位于半透膜两侧的水溶液浓度不同时,在浓度梯度的作用下,低浓度溶液中的水会自发地通过半透膜渗透到高浓度溶液一侧,这便是渗透过程。此时,两侧液面开始产生高度差,液面高度差产生的压力会阻碍渗透过程的进行。当高浓度溶液一侧的液面不再升高,两侧溶液达到渗透平衡,此时高度差产生的额外压力便是渗透压。

如果对海水施加大于渗透压的外加压力,此时海水中水分会反向通过渗透膜,而盐分则被半透膜阻隔无法通过。通过这个反渗透过程,半透膜的另一侧便能收集到淡化的海水。半透膜对盐的截留率可达到98%以上,我国的第一座反渗透海水淡化工程是1985年1月16日在西沙群岛永兴岛建成的,产淡化水可以达到两百吨。

大气压与溶氧量的关系。

空气也有一定的气压,也存在一定的渗透压。由于大气压力比水面的压力高,空气中的氧气会随着渗透压透入到水中去,当水中容纳氧气的量到达极限后,才会自动向外界大气释放。大气中的氧气在气压下通过水的表面向水中渗透,再通过水分子的运动向水的深处渗透,因此,水的上层的溶氧量总是大于水的深层区,底层大多是欠氧区域

溶解氧跟空气里氧的分压、大气压、水温和水质有密切的关系,在20℃、100kPa下,纯水里大约溶解氧9mg/L。溶解氧通常有两个来源:一个来源是水中溶解氧未饱和时,大气中的氧气向水体渗入;另一个来源是水中植物通过光合作用释放出的氧。因此水中的溶解氧会由于空气里氧气的渗透溶入及绿色水生植物的光合作用而得到不断补充。

(综合汇编:刘文俊)

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