Концентрационная поляризация

Концентрационная поляризация — термин, используемый в научных областях электрохимии и мембрановедения .

В электрохимии

В электрохимии возникающую концентрационная поляризация обозначает часть поляризации электролизера , в результате изменения концентрации электролита из-за прохождения тока через границу раздела электрод/раствор. Здесь под поляризацией понимают смещение разности электрохимических потенциалов поперек клетки от ее равновесного значения. Когда этот термин используется в этом смысле, он эквивалентен « перенапряжению концентрации ». изменение концентрации (появление градиентов концентрации в растворе, примыкающем к поверхности электрода) – это разница в скорости электрохимической реакции на электроде и скорости миграции ионов в растворе от/к поверхности. Когда химического вещества, участвующего в электрохимической электродной реакции, не хватает, концентрация этого вещества на поверхности уменьшается, вызывая диффузию, которая добавляется к миграционному транспорту к поверхности, чтобы поддерживать баланс потребления и доставки этого вещества. .

Рис. 1. Потоки и профили концентрации в мембране и окружающих растворах. На рис. а к системе, первоначально находящейся в равновесии, приложена движущая сила: поток частиц, избирательно проникающих в мембрану, $J_{1}^{m}$, превышает его поток в растворе, $J_{1}^{s}$. Более высокий поток в мембране вызывает снижение концентрации на границе раздела мембрана/раствор выше по потоку и увеличение концентрации на границе раздела ниже по потоку ( b ). Градиенты концентрации вызывают диффузионный транспорт, который увеличивает общий поток в растворе и уменьшает поток в мембране. В устойчивом состоянии, $J_{1}^{s}=J_{1}^{m}$.

В мембранной науке и технике

В мембранной науке и технологии концентрационная поляризация относится к возникновению градиентов концентрации на границе раздела мембрана/раствор в результате избирательного переноса некоторых видов через мембрану под действием трансмембранных движущих сил. Как правило, причиной концентрационной поляризации является способность мембраны транспортировать некоторые виды с большей готовностью, чем другие (что представляет собой селективность мембраны ): удерживаемые виды концентрируются на поверхности мембраны выше по потоку, в то время как концентрация транспортируемых видов снижается. . Таким образом, явление концентрационной поляризации присуще всем типам процессов мембранного разделения. В случаях разделения газов , первапорации , мембранной дистилляции , обратного осмоса , нанофильтрации , ультрафильтрации и микрофильтрации профиль концентрации имеет более высокий уровень растворенного вещества, ближайшего к поверхности мембраны выше по потоку, по сравнению с более или менее хорошо перемешанной объемной жидкостью вдали от нее. поверхность мембраны. В случае диализа и электродиализа концентрации селективно транспортируемых растворенных веществ снижаются на поверхности мембраны перед мембраной по сравнению с объемным раствором. Возникновение градиентов концентрации иллюстрируется рис. 1а и 1б. На рис. 1а показан профиль концентрации вблизи и внутри мембраны, когда к первоначально равновесной системе только что приложена внешняя движущая сила. Градиенты концентрации еще не сформировались. Если мембрана избирательно проницаема для видов 1, ее поток ( $J_{1}^{m}$) внутри мембраны выше, чем в растворе ( $J_{1}^{s}$). Более высокий поток в мембране вызывает уменьшение концентрации на поверхности мембраны выше по потоку ( $c_{1}'$) и увеличение на нижней поверхности ( $c_{1}''$), рис. 1б. Таким образом, раствор выше по потоку обедняется, а раствор ниже по потоку обогащается частицами 1. Градиенты концентрации вызывают дополнительные диффузионные потоки, которые способствуют увеличению общего потока в растворах и уменьшению потока в мембране. В результате система достигает устойчивого состояния, в котором $J_{1}^{s}=J_{1}^{m}$. Чем больше приложенная внешняя сила, тем ниже $c_{1}^{\prime }$. При электродиализе, когда $c_{1}'$ становится значительно ниже объемной концентрации, сопротивление обедненного раствора становится весьма повышенным. Плотность тока, связанная с этим состоянием, известна как предельная плотность тока .

Концентрационная поляризация сильно влияет на эффективность процесса разделения. Во-первых, изменения концентрации в растворе уменьшают движущую силу внутри мембраны и, следовательно, полезный поток/скорость разделения. В случае процессов, вызванных давлением, это явление вызывает увеличение градиента осмотического давления в мембране, что снижает чистый градиент давления. В случае диализа ведущий градиент концентрации в мембране снижается. В случае электромембранных процессов падение потенциала в диффузионных пограничных слоях уменьшает градиент электрического потенциала в мембране. Более низкая скорость разделения при той же внешней движущей силе означает повышенное энергопотребление.

Кроме того, концентрационная поляризация приводит к:

• Повышенная утечка солей через мембрану.
• Повышенная вероятность накипи/засорения образования

Таким образом, ухудшается селективность разделения и срок службы мембраны.

Обычно для уменьшения концентрационной поляризации применяют увеличенные скорости потока растворов между мембранами, а также спейсеры, способствующие турбулентности [5, 6]. Этот метод приводит к лучшему перемешиванию раствора и уменьшению толщины диффузионного пограничного слоя, который определяется как область вблизи электрода или мембраны, где концентрации отличаются от их значения в объемном растворе. При электродиализе дополнительное перемешивание раствора можно получить путем приложения повышенного напряжения, при котором индуцированная током конвекция возникает в виде гравитационной конвекции или электроконвекции. Электроконвекция определяется как объемный перенос, индуцированный током, когда через заряженный раствор накладывается электрическое поле. Обсуждаются несколько механизмов электроконвекции. В разбавленных растворах электроконвекция позволяет увеличить плотность тока в несколько раз превышающую предельную плотность тока. Электроконвекция относится к электрокинетическим явлениям , которые важны в микрофлюидных устройствах. Таким образом, существует мост между мембранной наукой и микро/нанофлюидикой. Плодотворные идеи перенесены из микрофлюидики : предложены новые концепции электромембранных устройств для опреснения воды в сверхпредельном диапазоне токов.