מים שאי אפשר לשתות
כמעט כל המים על פני כדור הארץ נמצאים בים, ובכל ליטר שלהם מומסים כ־35 גרם מלח, בעיקר יוני נתרן ויוני כלוריד. זה מלוח פי כמה ממה שהגוף שלכם יכול לשאת: שתו מהם, והכליות שלכם יוציאו על סילוק המלח יותר מים ממה שבלעתם.
הוצאת המלח נקראת התפלה. הדרך הוותיקה היא להרתיח מי ים ולאסוף את האדים: המלח נשאר מאחור, אבל זה דורש הרבה מאוד חום. רוב המתקנים החדשים דוחקים במקום זאת את מי הים דרך קרום שמניח למולקולות מים לעבור ועוצר את המלח. ההפתעה היא כמה חזק צריך ללחוץ.
קודם כול, המים זורמים בכיוון הלא נכון
הסתכלו על הסצנה בלי שום לחץ. המים המלוחים משמאל, המים המתוקים מימין, והקרום ביניהם. שום דבר לא דוחף שום דבר, ובכל זאת הצד המתוק מתרוקן, והמים המלוחים עולים ומרימים את הבוכנה.
זו אוסמוזה. מולקולות מים חוצות את הקרום כל הזמן בשני הכיוונים, אבל בצד המלוח חלק מהמקום שליד הקרום תפוס ביונים, שגם מחזיקים מולקולות מים קרוב אליהם. מהצד המלוח עוברות פחות מולקולות מים מכפי שמגיעות מהצד המתוק, ולכן בסך הכול המים נעים אל המים המלוחים. אם לא מתערבים, הים דווקא מושך מים מתוקים מתוך המכל, ולא מוותר על מים משלו.
לחץ אוסמוטי: הלחץ שצריך לגבור עליו
אפשר לעצור את הזרימה הזאת בלחיצה על המים המלוחים. הלחץ שעוצר אותה בדיוק הוא הלחץ האוסמוטי של התמיסה. הוא גדל עם מספר החלקיקים המומסים: כל גרם של מלח ים בליטר מוסיף כ־0.8 bar, ולכן הלחץ האוסמוטי של מי ים הוא כ־27 bar, הלחץ בתחתית עמוד מים בגובה 270 מטרים. בדם הוא כמעט 8 bar, ובמי תהום מליחים רק כמה bar.
נסו: בחרו איזון בלחץ על המים המלוחים, והמפלסים יעמדו במקומם. הורידו מעט את הלחץ, והמים יחלחלו פנימה; העלו אותו מעט, והזרימה תתהפך. אחר כך קבעו את מלח במים על תמלחת, ומצאו על מד הלחץ את נקודת האיזון החדשה.
מד הלחץ מראה במחוג השחור את הלחץ שמפעילים, ובסימן הכתום את הלחץ האוסמוטי של המים שמתחת לבוכנה. הזרימה הולכת לכיוון שקובע הגדול מבין השניים.
אוסמוזה הפוכה
לחצו חזק יותר מהלחץ האוסמוטי, והזרימה מתהפכת: מים נסחטים מתוך המים המלוחים, עוברים דרך הקרום אל הצד המתוק, והיונים נשארים מאחור. זו אוסמוזה הפוכה, וכך מופקים היום רוב המים המותפלים בעולם.
צפו במה שקורה למים שנשארים מתחת לבוכנה. הם מאבדים מים אבל שומרים על כל המלח שלהם, ולכן הם נעשים מלוחים יותר והלחץ האוסמוטי שלהם עולה; הסימן הכתום מטפס לעבר המחוג. כשהם נפגשים, הזרימה נעצרת. המים המלוחים שנשארו הם תמלחת. ב־60 bar כמחצית ממי הים יכולה לצאת מתוקה, לפני שהתמלחת דוחפת בחזרה חזק כמו המשאבה. גם מתקנים אמיתיים עוצרים בערך בנקודה הזאת, ואז מזרימים את התמלחת בצינורות חזרה לים, ושם צריך לפזר אותה כדי שלא תשקע על קרקעית הים.
נסו: בחרו מתקן למי ים, בחרו פועל תחת הצגת המולקולות, וצפו במולקולות המים מתפתלות דרך הפולימר, בעוד היונים, עטופים בכלובי המים שלהם, נתקלים בו וניתזים לאחור בניצוץ.
למה הקרום עובד
בקרום של אוסמוזה הפוכה אין חורים שאפשר לראות, אפילו במיקרוסקופ טוב. השכבה הפעילה שלו היא סרט של פוליאמיד בעל קשרים צולבים, בעובי של כחלק אחד מעשרת אלפים של מילימטר, המונח על תשתית ספוגית מפלסטיק. מולקולות מים מתמוססות בפולימר ומשוטטות דרך הרווחים הזעירים שבין השרשראות שלו. יון נתרן או יון כלוריד במים נע עם מעטפת של מולקולות מים שנצמדות למטען שלו, ולכן הוא גדול מדי וקשור חזק מדי כדי לעבור בעקבותיהן. קרומים טובים עוצרים יותר מ־99.5% מהמלח.
בתוך מתקן התפלה
מתקן להתפלת מי ים מסנן את המים שהוא שואב כדי לסלק חול, אצות וכל מה שעלול לסתום את הקרום, ואז מעלה במשאבות את לחצם לכ־60 עד 70 bar. הקרומים מגולגלים למחסניות ספירליות, ומי הים זורמים לאורך פני השטח שלהם ולא אל מבוי סתום, כך שהם סוחפים איתם את התמלחת והמלח לא מצטבר על הסרט. התמלחת עדיין בלחץ גבוה כשהיא יוצאת, ולכן התקנים שנקראים מחליפי לחץ מעבירים את רוב הלחץ הזה בחזרה אל מי הים הנכנסים.
הפקה של 1,000 ליטרים של מים מתוקים בדרך הזאת דורשת כ־3 עד 4 קילוואט־שעה של חשמל, כמו שצורך מקרר ביתי בכמה ימים. הפיזיקה קובעת רף תחתון של כ־1 קילוואט־שעה בשיעור ניצולת כזה, כי לכל הפחות צריך לבצע את העבודה של דחיקת המים החוצה נגד הלחץ האוסמוטי. מדינות שחסרים בהן נהרות וגשם, מישראל ועד ערב הסעודית, מקבלות היום כך חלק גדול ממי השתייה שלהן.
מה המודל הזה משמיט
תא הניסוי הוא כמות סגורה של מים עם בוכנה, ולא הזרימה הרציפה של מתקן אמיתי, והוא מתעלם מכמה הסנטימטרים של גובה המים בכל צד, שהם זעירים לעומת עשרות bar. הלחץ האוסמוטי מחושב לפי כלל אצבע קווי ב־25 °C; במליחות גבוהה הוא עולה מעט מהר יותר, והוא גדל עם הטמפרטורה. הקרום כאן עוצר את כל המלח ומעביר מים בקצב שפשוט יחסי ללחץ העודף, בעוד שקרום אמיתי מעביר מעט מלח, מאט כשמלח מצטבר על פניו, ויכול להיסתם בגלל יצורים חיים מהים.