Концентрационная поляризация — термин, используемый в научных областях электрохимии и мембрановедения .
В электрохимии концентрационная поляризация обозначает часть поляризации электролизера , возникающую в результате изменения концентрации электролита из-за прохождения тока через границу раздела электрод/раствор. [1] Здесь под поляризацией понимается смещение разности электрохимических потенциалов поперек клетки от ее равновесного значения. Когда этот термин используется в этом смысле, он эквивалентен « перенапряжению концентрации ». [2] [3] изменение концентрации (появление градиентов концентрации в растворе, прилегающем 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. . [ нечеткий ]
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. [4] Как правило, причиной концентрационной поляризации является способность мембраны транспортировать некоторые виды с большей готовностью, чем другие (что является проницаемостью мембраны): удерживаемые виды концентрируются на поверхности мембраны выше по потоку, в то время как концентрация количество перевозимых видов уменьшается. 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 частиц 1, то их поток ( ) внутри мембраны выше, чем в растворе ( ). Увеличение потока в мембране приводит к уменьшению концентрации на верхней поверхности мембраны ( ) и увеличению на задней поверхности ( ), 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, где . Чем больше приложенная внешняя сила, тем ниже . При электродиализе, когда концентрация обедненного раствора становится значительно ниже объемной, сопротивление обедненного раствора становится весьма повышенным. Плотность тока, связанная с этим состоянием, известна как предельная плотность тока. [5]
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. [6] 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:
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. [7] 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 [8] как объемный перенос, индуцированный током, когда через заряженный раствор накладывается электрическое поле. Обсуждаются несколько механизмов электроконвекции. [9] [10] [11] [12] В разбавленных растворах электроконвекция позволяет увеличить плотность тока в несколько раз выше предельной плотности тока. [11] Электроконвекция относится к электрокинетическим явлениям , которые важны в микрофлюидных устройствах. Таким образом, существует мост между мембранной наукой и микро/нанофлюидикой. [13] Плодотворные идеи перенесены из микрофлюидики : были предложены новые концепции электромембранных устройств для опреснения воды в сверхпредельном диапазоне токов. [14] [15]
