关于理想双隔膜渗透压系统的研究

考虑一个被两个理想半透膜对称分隔为三室的U型管实验系统，结构如下图所示：

“纯净水/半透膜/柠檬酸钠溶液/半透膜（带负电荷）/纯净水”；

那么，以下是我和某主流学者在微信群辩论过程中的问题实录——

[憨笑][憨笑]@XXX 刚看到，不妨请您有时间为渗透压成因之化学势说的自相矛盾之处辩护一下：

按照化学势说，对于采用理想半透膜的以柠檬酸钠稀溶液为工质的双隔膜渗透压实验系统，在一个半透膜带有负电荷的情况下，两个半透膜内侧的不可透过性微粒摩尔浓度是否相同？

不相同，是否就是两个半透膜内侧的局部化学势是不相同的？

那么，两处对应的渗透压也是不相等的。对吗？

于是，必然在一侧要发生渗透，另一侧发生反渗透。对吗？

就是说，在渗透——反渗透平衡状态，两侧纯净水水位是不平衡，具有宏观可利用能量的。对吗？

因为两侧都是纯净水，在两侧纯净水之间构筑引流通道后，因为重力势能平衡的要求，高水位一侧的纯净水必然要向低水位一侧流动，打破热力作用达成的渗透——反渗透平衡。对吗？

这个做功的能量可能是中间腔室的化学势变化转化来的吗？不可能的。对吗？

因此，您和化学势说的拥趸者长期一口咬定说：在采用理想半透膜的上述系统中，两侧纯净水不可能有水位差。对吗？

那么，同样一个渗透压成因的化学势说，对于同一条件下的系统“两侧纯净水是否会产生水位差？”，产生了前后截然自相矛盾的判断。对吗？

当我们调控从高水位向低水位一侧的流量，使其和穿过两层半透膜的宏观反渗透净流量相等时，两侧纯净水水位一个高，一个低，但是始终保持水位差不变化；又始终有水流运动，这个宏观运动的能量，更加不可能是任何方面的“化学势变化”转化来的。对吗？

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以上是微信群辩论过程中，我的系列诘问实录。因为目前我们难以取得孔径一致性极好的“亚纳米核孔膜”进行实验，所以，虽然实体实验可以观察到显著的两侧纯净水水位差，并且，可以产生从高水位一侧向低水位一侧的持续滴水水流，但是，因为溶质泄露污染的影响，目前，该系统持续滴水的时间，最长仅能持续70多天，还做不到“永动”。如果有理想半透膜可用，理论上，在半透膜物理失效前，是可以持续产生循环运动水流的。特别是考虑理想半透膜条件下，当调节滴水水流量和穿过半透膜的反渗透流量恰好相等时，系统没有任何的“熵增”以及“化学势”变化，用系统的“熵增”和“化学势变化”解释实验事实，都是行不通的。

这就对“熵增原理”和“化学势”概念的普适性提出了严峻挑战。很明显：上述采用理想半透膜的双隔膜渗透压系统，是一个自发的“熵减系统”，对于一系列热力学基本概念构成了严峻的挑战。

特别需要说明的一点是：由于没有理想半透膜可用，实体实验中，一侧采用了孔径较小、不带静电的反渗透膜（RO膜），一侧使用了孔径相对较大、溶质更容易泄露、自带负电荷的纳滤膜（NF膜），所以，实验现象呈现了宏观上自发实现的“反渗透”现象——被溶质泄露污染较重的纳滤膜一侧水位下降，被溶质泄露污染较轻的反渗透膜一侧水位升高——和普通单隔膜渗透压实验现象（浓度高的一侧液位上升），是截然相反的。任何希望在已有理论框架内解释实验事实的朋友，首先必须正视这个基本的实验事实。