Membrane semipermeabili e osmosi

La scoperta delle membrane semipermeabili risale al XVIII secolo e sono dovute al fisico francese Jean-Antoine Nollet nell’ambito delle sue ricerche sulla pressione osmotica. Le membrane semipermeabili anche dette selettivamente permeabili hanno la caratteristica di consentire il passaggio solo di determinate molecole o ioni.

Possono essere di origine chimica o biologica come, ad esempio, la membrana cellulare la cui funzione è quella di fungere da barriera selettiva e semipermeabile alla maggior parte delle molecole solubili in acqua. Essa è costituita da un doppio strato fosfolipidico compreso fra due strati proteici situati a livello delle superfici di separazione tra le fasi interna ed esterna della cellula e funge da barriera di permeabilità regolando gli scambi di elementi e sostanze chimiche.

Tra gli altri esempi di membrane semipermeabili di origine biologica vi è il tessuto renale. I reni infatti consentono alle molecole di attraversarli mentre ne bloccano altre, tra cui i prodotti di scarto umano. Un altro esempio è costituito dalla pelle delle rane che, come quelle degli altri anfibi è semipermeabile e consente di assorbire acqua e altre sostanze attraverso la sua superficie.

Esempi di membrane semipermeabili sintetiche sono, in genere, di tipo polimerico come il cellophane e le membrane realizzate con alcool polivinilico, poliuretani e politrifluorocloroetilene che consentono, in genere, solo il passaggio dell’acqua.

Coefficiente di ultrafiltrazione e membrane semipermeabili

La capacità di trasportare acqua delle membrane semipermeabili è quantificata dal coefficiente di ultrafiltrazione che è una costante di proporzionalità che mette in relazione il gradiente di concentrazione con il flusso netto di acqua attraverso la membrana.

Lo spessore e della dimensione dei pori, associate alla permeabilità dell’acqua attraverso le membrane semipermeabili, risultano di particolare importanza nei pazienti dializzati per i quali è necessaria processo la rimozione delle scorie e dei liquidi in eccesso dal corpo.

Il coefficiente di ultrafiltrazione K_UF è stato inizialmente definito dalla quantità di fluido espressa  in mL che attraversa la membrana del dializzatore per tempo  T espresso in ore e pressione  P  in mmHg secondo la relazione:
K_UF = V/Tp

Il calcolo semplificato del K_UFS di una membrana si basa sulla legge di Darcy risalente al 1856 che mette in relazione la quantità di fluido Q_HF che passa attraverso una membrana si superficie S  in un dato intervallo di tempo con la differenza di pressione presente alle estremità del mezzo poroso Δp:
Q_HF = K_UFS ·  Δp · S

Membrane semipermeabili e osmosi

L’osmosi è il passaggio selettivo delle molecole di solvente attraverso una membrana semipermeabile che separa due soluzioni con diversa concentrazione di soluto da una soluzione diluita ad una più concentrata in modo che alla fine del processo entrambe le soluzioni hanno la stessa concentrazione.
Le membrane semipermeabili nei processi osmotici, infatti, consentono il passaggio delle molecole di solvente e bloccano il passaggio delle molecole di soluto.

Il flusso del solvente può essere interrotto applicando una pressione detta pressione osmotica. Invertendo  il flusso naturale del solvente si verifica l’osmosi inversa che si verifica applicando una pressione che  impedisce al solvente di passare attraverso una membrana semipermeabile nella soluzione in modo che il solvente passa dalla soluzione al solvente puro. Negli anni ’50 dello scorso secolo i ricercatori dell’Università della Florida e dell’Università della California a Los Angeles furono in grado di utilizzare l’osmosi inversa per trasformare l’acqua di mare contaminata in acqua dolce.

La versatilità e l’efficienza dell’osmosi inversa lo rendono un metodo prezioso per la purificazione dell’acqua, la desalinizzazione e il trattamento delle acque reflue. Le sue applicazioni ad ampio raggio contribuiscono ad affrontare la scarsità d’acqua, a promuovere la sostenibilità e a garantire l’accesso alle risorse idriche pulite.

Le membrane semipermeabili in cui sono racchiusi i globuli rossi in acqua pura si rompono dal momento che l’acqua attraversa la membrana penetrando in essa mentre in una soluzione salina concentrata i globuli rossi si raggrinziscono perché l’acqua contenuta in essi passa nella soluzione esterna che è più concentrata. Se, invece sono posti in una soluzione avente la stessa concentrazione rispetto a quella contenuta nel globulo rosso l’acqua che fuoriesce dal globulo è pari alla quantità che entra e, in tal caso si parla di soluzione isotonica.