Osmoza. Jak działa i czym jest odwrócona osmoza?

Co to jest osmoza? Osmoza to dyfuzja rozpuszczalnika przez półprzepuszczalną membranę, która rozdziela dwa roztwory o różnym stężeniu. Rozpuszczalnik przechodzi z roztworu o mniejszym stężeniu (hipotonicznym) do roztworu o stężeniu większym (hipertonicznym).

Celem ruchu cząsteczek jest wyrównanie stężenia pomiędzy dwoma roztworami, a jednocześnie wyrównanie ciśnienia hydrostatycznego wywieranego na błonę, z ciśnieniem osmotycznym, który powstaje wskutek różnicy potencjałów chemicznych między roztworami.

Jeśli komórka zostanie umieszczona w roztworze hipertonicznym, nastąpi wypływ wody z komórki tej na zewnątrz, wskutek czego komórka utraci jędrność. Zjawisko to obserwowane jest w komórkach roślinnych.

Jeśli umieścimy komórkę roślinną w roztworze o wyższym stężeniu (np. NaCl), w wyniku tego działania z komórki wycieknie woda, a jednocześnie dojdzie do kurczenia się wakuoli, protoplast zaś zacznie odstawać od ściany komórkowej. Zjawisko to nazywamy plazmolizą.

Plazmoliza jest procesem odwracalnym, ponieważ po umieszczeniu tej komórki w roztworze hipotonicznym, woda z powrotem wpłynie do komórki i powróci do pierwotnego stanu. Zjawisko to nosi nazwę deplazmoliza. Jeśli jednak komórka dłuższy czas będzie przechowywana w roztworze hipertonicznym, błona komórkowa może ulec pęknięciu, a komórka rozerwaniu.

Jaki jest przebieg osmozy? Komórki żywych organizmów w kontakcie z roztworem hipotonicznym stają się większe. Jeśli komórka nie posiada ściany komórkowej, może dojść nawet do jej rozsadzenia.

Analogicznie, komórki te, gdy trafią do roztworu hipertonicznego, kurczą się, podlegając plazmolizie różnego stopnia. Przykładem może być płukanie gardła specjalnym roztworem soli - roztwór pozbawia komórki bakteryjne wody i powoduje ich obumieranie wskutek odwodnienia i denaturacji.

U roślin, dzięki zjawiskom osmotycznym odbywa się w nich transport wody od korzeni do liści. Zjawisko osmozy zapewnia więc roślinom sztywność łodyg i liści (przy współdziałaniu z niektórymi tkankami), jest także podstawą działania aparatu szparkowego.

W przypadku zwierząt osmoza jest częścią procesów homeostazy.

Zjawisko osmozy można zatrzymać lub nawet odwrócić poprzez wywarcie odpowiednio wysokiego ciśnienia na roztwór hipertoniczny. Mówimy wtedy o odwróconej osmozie - wymuszonej dyfuzji rozpuszczalnika przez błonę półprzepuszczalną, która rozdziela dwa roztwory o różnym stężeniu.

Zjawisko odwróconej osmozy, przeciwnie do osmozy spontanicznej zachodzi od roztworu o wyższym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o stężeniu niższym, czyli prowadzi do zwiększenia różnicy stężeń obu roztworów.

Osmoza odwrócona jest wywoływana przyłożeniem do membrany ciśnienia o większej wartości i skierowanego przeciwnie niż ciśnienie osmotyczne, występujące naturalnie w układzie.

Przykładem zjawiska odwróconej osmozy jest m.in. odsalanie wody morskiej.

Osmoza jest ważnym procesem tak w przyrodzie, jak i w społeczeństwie. Gdzie znalazła zastosowanie?

• w konserwowaniu żywności - osmoza od wieków służy do konserwacji mięsa, określana mianem solanki - mięso jest krojone na mniejsze kawałki, a następnie zamykane w mocno stężonym roztworze słonej wody; w czasie kilku dni lub tygodni woda w mięsie zmieni się z niskiego stężenia substancji rozpuszczonej w mięsie do wysokiego stężenia substancji rozpuszczonej w roztworze słonej wody; utrata wody powoduje, że w mięsie nie rozwijają się bakterie, dzięki czemu mięso się konserwuje;
• wchłanianie wody - my pijemy wodę, jednak komórki naszego organizmu wchłaniają ją przez osmozę tak, jak robią to korzenie roślin; stężenie produktów przemiany materii rośnie razem z ciśnieniem osmotycznym między zewnętrzem a wnętrzem ściany komórkowej - półprzepuszczalnej błony, komórka zaś wchłania wodę z krwi, która jest bardziej rozcieńczonym roztworem niż w przypadku cytoplazmy komórki; osmoza uczestniczy w przenoszeniu podstawowych składników odżywczych i minerałów; jelita człowieka ponadto składniki odżywcze i minerały wchłaniają właśnie poprzez proces osmozy;
• naturalny proces rośliny - proces ten pozwala roślinom przetrwać; dzięki osmozie woda jest dostarczana z korzeni rośliny do liści, a jest to osiągalne za pomocą gradientu soli: najniższa część rośliny (korzenie) mają tej soli najmniej, najwyższa (liście) mają najwyższe stężenie soli, co powoduje, że woda jest wciąż wciągana w górę w stronę liści.

Osmoza odwrócona z kolei znalazła zastosowanie między innymi do odsalania wody morskiej. Od lat wykorzystywana jest także jako filtr osmotyczny do wody pitnej.

Warto pamiętać jednak, że chociaż wskutek odwróconej osmozy pozbywamy się aż 96% nieczystości z wody, jednocześnie traci ona cenne minerały, takie jak wapń i magnez. Jeśli mamy zamiar używać filtru do wody z odwróconą osmozą w dużych ilościach, warto zadbać o jej mineralizację.

Odwrócona osmoza ma zarówno wady, jak i zalety. Co jest jej zaletą?

Warto mieć na uwadze, że zwykłe filtry mają zdolność filtrowania tylko dużych zanieczyszczeń maksymalnie do 1 mikrona. Membrana osmotyczna ma wielkość porów 0,0005 mikrona, dzięki czemu potrafi oczyścić wodę z wszelkich zanieczyszczeń - otwory w membranie przepuszczają tylko krystalicznie czystą wodę.

Jeśli stosujemy filtry osmotyczne, możemy w bezpieczny sposób pić wodę z kranu, nawet jeśli nasza instalacja nie była od lat wymieniana. Nie produkujemy także odpadów w postaci butelek z plastiku, co przynosi korzyści dla środowiska oraz portfela.

Woda filtrowana w procesie osmozy staje się miękka, więc bez obaw możemy używać w czajnikach i ekspresach.

Osmoza w kuchni? Można dobrać filtry do parametrów wody, która płynie z naszego kranu, a także jednocześnie poddać wodę jonizacji lub mineralizacji (przez zastosowanie mineralizatora lub wkładów uszlachetniających). W ten sposób uzyskujemy wodę idealną do przygotowania napojów lub potraw, a także mycia warzyw czy owoców.

Odwrócona osmoza - wady

Trzeba wiedzieć, że proces odwróconej osmozy to proces stratny, w wyniku którego część wody, trafiając z powrotem do kanalizacji, marnuje się. Ponadto membrana oprócz składników szkodliwych odrzuca także minerały ważne dla ludzkiego organizmu, dlatego warto dodawać wkłady mineralizujące.

Wadą może być też to, że urządzenie zabiera sporo miejsca. Dobrze wpasowuje się w szafkę pod zlewem, jednak w tym miejscu najczęściej znajduje się śmietnik, wymaga więc znalezienia dodatkowego miejsca.

Koszt tego urządzenia też nie jest mały - oprócz zakupu sprzętu, należy systematycznie wymieniać filtry z odwróconą osmozą oraz dezynfekować instalacje.

Filtr odwróconej osmozy ma w zasadzie jedną funkcję: oczyścić wodę z wszelkich zanieczyszczeń tak, aby nadawała się do spożycia. System odwróconej osmozy oczyszcza wodę z:

• wirusów i bakterii;
• chloru oraz jego pochodnych;
• zanieczyszczeń stałych: rdzy, drobin piasku;
• włókien mikroplastiku;
• metali ciężkich: ołowiu, arsenu, miedzi czy rtęci;
• toksyn z leków, które znajdują się w wodzie.

Dlatego też coraz częściej decydujemy się na filtry odwróconej osmozy do domu.