Полупроницаемая мембрана
Полупроницаемая мембрана — это тип синтетической или биологической мембраны , полимерной которая позволяет определенным молекулам или ионам проходить через нее путем осмоса . Скорость прохождения зависит от давления , концентрации и температуры молекул или растворенных веществ с обеих сторон, а также от проницаемости мембраны для каждого растворенного вещества. В зависимости от мембраны и растворенного вещества проницаемость может зависеть от размера растворенного вещества, растворимости , свойств или химического состава. То, как сконструирована мембрана , обеспечивающая избирательную проницаемость, будет определять скорость и проницаемость. Многие натуральные и синтетические материалы, имеющие довольно большую толщину, также являются полупроницаемыми. Одним из примеров этого является тонкая пленка внутри яйца. [1]
Биологические мембраны обладают избирательной проницаемостью . [2] с прохождением молекул, контролируемым облегченной диффузией , пассивным транспортом или активным транспортом, регулируемым белками, встроенными в мембрану.
Биологические мембраны
[ редактировать ]Фосфолипидный бислой
[ редактировать ]Фосфолипидный бислой является примером биологической полупроницаемой мембраны. Он состоит из двух параллельных, противоположных слоев равномерно расположенных фосфолипидов . Каждый фосфолипид состоит из одной фосфатной головки и двух жирнокислотных хвостов. [3] Плазматическая мембрана , окружающая все биологические клетки, является примером фосфолипидного бислоя . [2] Плазматическая мембрана очень специфична по своей проницаемости , то есть она тщательно контролирует, какие вещества входят в клетку и покидают ее. Поскольку они притягиваются к содержанию воды внутри и снаружи клетки (или гидрофильны ), фосфатные головки собираются вдоль внешней и внутренней поверхности плазматической мембраны, а гидрофобные хвосты представляют собой слой, скрытый внутри мембраны. Молекулы холестерина также находятся по всей плазматической мембране и действуют как буфер текучести мембраны . [3] Фосфолипидный бислой наиболее проницаем для небольших незаряженных растворенных веществ . Белковые каналы встроены в фосфолипиды или сквозь них. [4] и в совокупности эта модель известна как модель жидкостной мозаики . Аквапорины представляют собой поры белковых каналов, проницаемые для воды.
Сотовая связь
[ редактировать ]Информация также может проходить через плазматическую мембрану, когда сигнальные молекулы связываются с рецепторами клеточной мембраны. Сигнальные молекулы связываются с рецепторами, что изменяет структуру этих белков. [5] Изменение структуры белка запускает сигнальный каскад. [5] рецептора, связанного с G-белком, Передача сигналов является важным подмножеством таких сигнальных процессов. [6]
Осмотический стресс
[ редактировать ]Поскольку липидный бислой полупроницаем, он подвержен осмотическому давлению . [7] Когда растворенные вещества вокруг клетки становятся более или менее концентрированными, осмотическое давление заставляет воду поступать в клетку или выходить из нее для достижения равновесия . [8] Этот осмотический стресс подавляет клеточные функции, которые зависят от активности воды в клетке, такие как функционирование ее ДНК и белковых систем, а также правильная сборка ее плазматической мембраны. [9] Это может привести к осмотическому шоку и гибели клеток . Осморегуляция — это метод, с помощью которого клетки противодействуют осмотическому стрессу, и включает в себя осмосенсорные транспортеры в мембране, которые позволяют K+ [примечание 1] и другие молекулы проходят через мембрану. [8]
Искусственные мембраны
[ редактировать ]Искусственные полупроницаемые мембраны находят широкое применение в исследованиях и медицине. Искусственными липидными мембранами можно легко манипулировать и экспериментировать для изучения биологических явлений. [10] Другие искусственные мембраны включают те, которые участвуют в доставке лекарств, диализе и биосепарации. [11]
Обратный осмос
[ редактировать ]воды Объемный поток через избирательно проницаемую мембрану из-за разницы осмотического давления называется осмосом . Это позволяет проходить только определенным частицам, включая воду, оставляя после себя растворенные вещества, включая соль и другие загрязнения. В процессе обратного осмоса вода очищается путем приложения к раствору высокого давления и тем самым проталкивания воды через тонкопленочную композитную мембрану (TFC или TFM). Это полупроницаемые мембраны, изготовленные в основном для использования в воды системах очистки или опреснения . Они также используются в химических приложениях, таких как батареи и топливные элементы. По сути, материал ТФК представляет собой молекулярное сито , построенное в виде пленки из двух или более слоистых материалов. Сидни Леб и Шриниваса Сурираджан изобрели первую практическую синтетическую полупроницаемую мембрану. [12] Мембраны, используемые в обратном осмосе, как правило, изготавливаются из полиамида , выбранного в первую очередь из-за его проницаемости для воды и относительной непроницаемости для различных растворенных примесей, включая ионы солей и другие небольшие молекулы, которые невозможно фильтровать.
Регенерация обратноосмотических мембран
[ редактировать ]Мембранные модули обратного осмоса имеют ограниченный жизненный цикл, в нескольких исследованиях была предпринята попытка улучшить производительность процесса и продлить срок службы мембран обратного осмоса. Однако даже при соответствующей предварительной очистке питательной воды срок службы мембран обычно ограничивается пятью-семи годами.
Выброшенные мембранные модули RO в настоящее время классифицируются во всем мире как инертные твердые отходы и часто выбрасываются на свалки с ограниченным повторным использованием. По оценкам, масса мембран, ежегодно выбрасываемых во всем мире, достигает 12 000 тонн. При нынешних темпах утилизация модулей обратного осмоса представляет собой значительное и растущее неблагоприятное воздействие на окружающую среду, что приводит к необходимости ограничить прямой выброс этих модулей.
Мембраны обратного осмоса, выброшенные из операций опреснения, можно переработать для других процессов, которые не требуют критериев интенсивной фильтрации опреснения, их можно использовать в приложениях, требующих мембраны нанофильтрации (NF). [13]
Этапы процесса регенерации:
1- Химическая обработка
Химические процедуры, направленные на удаление загрязнений с отработанной мембраны; используются несколько химических веществ; такой как:
- Гидроксид натрия (щелочной)
- Соляная кислота (кислота)
- Хелатирующие агенты, такие как лимонная и щавелевая кислоты.
Существует три формы воздействия на мембраны химических агентов; простое погружение, рециркуляция чистящего средства или погружение в ультразвуковую ванну.
2 - Окислительная обработка
Он включает в себя воздействие на мембрану растворами окислителей с целью удаления ее плотного ароматического полиамидного активного слоя и последующего преобразования в пористую мембрану. Используются окислители, такие как гипохлорит натрия NaClO (10–12%) и перманганат калия KMnO₄. [14] Эти агенты удаляют органические и биологические загрязнения с мембран обратного осмоса. Они также дезинфицируют поверхность мембраны, предотвращая рост бактерий и других микроорганизмов.
Гипохлорит натрия является наиболее эффективным окислителем с точки зрения проницаемости и удаления солей.
Трубки для диализа
[ редактировать ]Диализные трубки используются при гемодиализе для очистки крови в случае почечной недостаточности . В трубках используется полупроницаемая мембрана для удаления отходов перед возвратом очищенной крови пациенту. [15] Различия в полупроницаемой мембране, такие как размер пор, меняют скорость и идентичность удаляемых молекул. Традиционно целлюлозные использовались мембраны, но они могли вызывать воспалительные реакции у пациентов. Были разработаны синтетические мембраны, которые более биосовместимы и вызывают меньше воспалительных реакций. [16] Однако, несмотря на повышенную биосовместимость, синтетические мембраны не связаны со снижением смертности. [15]
Другие типы
[ редактировать ]Другими типами полупроницаемых мембран являются катионообменные мембраны (КЕМ), анионообменные мембраны (АЕМ), щелочные анионообменные мембраны (ААЕМ) и протонообменные мембраны (ПЭМ).
Примечания
[ редактировать ]- ^ K+ — положительно заряженный ион (катион) элемента калия.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Яйца осмоса | Центр наномасштабной науки» . www.mrsec.psu.edu . Центр наномасштабной науки Университета штата Пенсильвания . Проверено 2 июля 2021 г.
- ^ Jump up to: а б Каплан, MJ (2017). «Функциональная организация клетки». В Бороне, ВФ; Булпаеп, Э.Л. (ред.). Медицинская физиология (Третье изд.). Филадельфия, Пенсильвания: Эльзевир. стр. 8–46. ISBN 9781455743773 .
- ^ Jump up to: а б Баутер, Кристофер Т.; Монже-Гальван, Вивиана; Я, Вонпиль; Клауда, Джеффри Б. (17 ноября 2016 г.). «Влияние холестерина на структуру и динамику фосфолипидного бислоя» . Журнал физической химии Б. 120 (45): 11761–11772. дои : 10.1021/acs.jpcb.6b08574 . ISSN 1520-6106 . ПМИД 27771953 .
- ^ Фридл, Сара. «Роль полупроницаемых мембран в клеточной коммуникации — видео и стенограмма урока» . Study.com . Проверено 6 апреля 2017 г.
- ^ Jump up to: а б Вуд, Дэвид. «Полупроницаемая мембрана: определение и обзор — видео и стенограмма урока» . Study.com . Проверено 6 апреля 2017 г.
- ^ Вайс, Уильям И.; Кобилка, Брайан К. (20 июня 2018 г.). «Молекулярная основа активации рецепторов, связанных с G-белком» . Ежегодный обзор биохимии . 87 (1): 897–919. doi : 10.1146/annurev-biochem-060614-033910 . ПМЦ 6535337 . ПМИД 29925258 .
- ^ Воэт, Дональд (2001). Основы биохимии (Переизданная ред.). Нью-Йорк: Уайли. п. 30. ISBN 978-0-471-41759-0 .
- ^ Jump up to: а б Вуд, Джанет М. (октябрь 2011 г.). «Бактериальная осморегуляция: парадигма изучения клеточного гомеостаза» . Ежегодный обзор микробиологии . 65 (1): 215–238. doi : 10.1146/annurev-micro-090110-102815 . ISSN 0066-4227 . ПМИД 21663439 .
- ^ Рэнд*, Р.П.; Парсегян, Вирджиния; Рау, округ Колумбия (1 июля 2000 г.). «Внутриклеточное осмотическое действие» . Клеточные и молекулярные науки о жизни . 57 (7): 1018–1032. дои : 10.1007/PL00000742 . ISSN 1420-9071 . ПМЦ 11146847 . ПМИД 10961342 . S2CID 23759859 .
- ^ Сионтору, Кристина Г.; Николели, Грузия-Параскеви; Николелис, Димитриос П.; Карапетис, Стефанос К. (сентябрь 2017 г.). «Искусственные липидные мембраны: прошлое, настоящее и будущее» . Мембраны . 7 (3): 38. doi : 10.3390/membranes7030038 . ISSN 2077-0375 . ПМЦ 5618123 . ПМИД 28933723 .
- ^ Стаматиалис, Димитриос Ф.; Папенбург, Бернке Дж.; Жиронес, Мириам; Сайфул, Сайфул; Беттахалли, Шриватса, Нью-Мексико; Шмитмайер, Стефани; Весслинг, Матиас (1 февраля 2008 г.). «Медицинское применение мембран: доставка лекарств, искусственные органы и тканевая инженерия» . Журнал мембранной науки . 308 (1): 1–34. дои : 10.1016/j.memsci.2007.09.059 . ISSN 0376-7388 .
- ^ США 3133132 , Сидней, Леб и Шриниваса, Сурираджан, «Высокопроточные пористые мембраны для отделения воды от солевых растворов», опубликовано 12 мая 1964 г.
- ^ Лоулер, Уилл; Брэдфорд-Хартке, Зена; Крэн, Марлен Дж.; Герцог, Микель; Лесли, Грег; Ладевиг, Брэдли П.; Ле-Клех, Пьер (1 августа 2012 г.). «К новым возможностям повторного использования, переработки и утилизации использованных мембран обратного осмоса» . Опреснение . 299 : 103–112. Бибкод : 2012Desal.299..103L . doi : 10.1016/j.desal.2012.05.030 . ISSN 0011-9164 .
- ^ Коутиньо де Паула, Эдуардо; Гомес, Юлия Селия Лима; Амарал, Мириам Кристина Сантос (июль 2017 г.). «Переработка мембран обратного осмоса с истекшим сроком эксплуатации путем окислительной обработки: техническая оценка» . Водные науки и технологии . 76 (3–4): 605–622. дои : 10.2166/wst.2017.238 . ISSN 0273-1223 . ПМИД 28759443 .
- ^ Jump up to: а б Маклауд, Элисон М; Кэмпбелл, Мэрион К; Коди, Джун Д; Дейли, Конал; Грант, Адриан; Хан, Ижар; Рабиндранат, Каннайян С; Вейл, Люк; Уоллес, Шейла А. (20 июля 2005 г.). Кокрейновская группа по почкам и трансплантации (ред.). «Целлюлоза, модифицированная целлюлоза и синтетические мембраны при гемодиализе пациентов с терминальной стадией почечной недостаточности» . Кокрейновская база данных систематических обзоров . 2009 (3): CD003234. дои : 10.1002/14651858.CD003234.pub2 . ПМЦ 8711594 . ПМИД 16034894 .
- ^ Керр, Питер Дж; Хуанг, Луи (июнь 2010 г.). «Обзор: Мембраны для гемодиализа» . Нефрология . 15 (4): 381–385. дои : 10.1111/j.1440-1797.2010.01331.x . ISSN 1320-5358 . ПМИД 20609086 . S2CID 35903616 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Корос, WJ; Ма, Ю.Х.; Шимидзу, Т. (1 января 1996 г.). «Терминология мембран и мембранных процессов (Рекомендации ИЮПАК 1996 г.)» . Чистая и прикладная химия . 68 (7): 1479–1489. дои : 10.1351/pac199668071479 . S2CID 97076769 . В этом документе приведены определения проникающей (проницаемой), синтетической (искусственной) мембраны и анионообменной мембраны.
- Розендаль, РА; Слейтелс, THJA; Хамелерс, HVM; Буйсман, CJN (июнь 2008 г.). «Влияние типа ионообменной мембраны на производительность, транспорт ионов и pH при биокаталитическом электролизе сточных вод». Водные науки и технологии . 57 (11): 1757–1762. дои : 10.2166/wst.2008.043 . ПМИД 18547927 . [ нужен неосновной источник ]
- «Высокопроточные пористые мембраны для отделения воды от солевых растворов, США 3133132 A» . 12 мая 1964 года . Проверено 22 апреля 2014 г. [ нужен неосновной источник ]
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Европейский дом мембран , некоммерческая международная ассоциация, созданная для продолжения работы сети и партнерских отношений, разработанных в NanoMemPro , ранее финансируемой ЕС европейской сети исследователей мембран.
- Короткая ненаучная статья WiseGeek «Что такое полупроницаемая мембрана».
