Концентрационная поляризация

Концентрационная поляризация — термин, используемый в таких научных областях, как электрохимия и мембрановедение .

В электрохимии

В электрохимии концентрационная поляризация обозначает часть поляризации электролитической ячейки , возникающую в результате изменения концентрации электролита из-за прохождения тока через интерфейс электрод/раствор. ^[1] Здесь поляризация понимается как смещение разности электрохимических потенциалов на ячейке от ее равновесного значения. Когда термин используется в этом смысле, он эквивалентен « концентрационному перенапряжению ». ^{[2] [3]} изменения концентрации (возникновение градиентов концентрации в растворе, прилегающем к поверхности электрода) представляют собой разницу в скорости электрохимической реакции на электроде и скорости миграции ионов в растворе от/к поверхности. Когда химическое вещество, участвующее в электрохимической электродной реакции, находится в дефиците, концентрация этого вещества на поверхности уменьшается, вызывая диффузию, которая добавляется к миграционному транспорту к поверхности, чтобы поддерживать баланс потребления и доставки этого вещества. ^{[ неопределенно ]}

Рис. 1. Потоки и профили концентрации в мембране и окружающих растворах. На рис. a движущая сила приложена к системе, изначально находящейся в равновесии: поток селективно проникающего вида в мембране, , выше, чем его поток в растворе, . Более высокий поток в мембране вызывает уменьшение концентрации на верхнем по потоку интерфейсе мембрана/раствор и увеличение концентрации на нижнем по потоку интерфейсе ( b ). Градиенты концентрации приводят к диффузионному переносу, который увеличивает общий поток в растворе и уменьшает поток в мембране. В стационарном состоянии, . ${\displaystyle J_{1}^{m}}$ ${\displaystyle J_{1}^{s}}$ ${\displaystyle J_{1}^{s}=J_{1}^{m}}$

В мембранной науке и технологии

В мембранной науке и технологии концентрационная поляризация относится к возникновению градиентов концентрации на границе раздела мембрана/раствор в результате селективного переноса некоторых видов через мембрану под действием трансмембранных движущих сил. ^[4] Как правило, причиной концентрационной поляризации является способность мембраны транспортировать некоторые виды более легко, чем другие (что является селективностью проницаемости мембраны): удерживаемые виды концентрируются на поверхности мембраны выше по потоку, в то время как концентрация транспортируемых 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 микрофильтрационного разделения 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 поверхности мембраны. В случае диализа и электродиализа концентрации селективно транспортируемых растворенных видов снижаются на поверхности мембраны выше по потоку по сравнению с объемом раствора. Возникновение градиентов концентрации проиллюстрировано на рис. 1а и 1б. Рис. 1а показывает профиль концентрации вблизи и внутри мембраны, когда к изначально равновесной системе только что приложена внешняя движущая сила. Градиенты концентрации еще не сформировались. Если мембрана селективно проницаема для вида 1, ее поток ( ) внутри мембраны выше, чем в растворе ( ). Более высокий поток в мембране вызывает уменьшение концентрации на поверхности мембраны выше по течению ( ) и увеличение на поверхности ниже по течению ( ), рис. 1б. Таким образом, раствор выше по течению истощается, а раствор ниже по течению обогащается относительно вида 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, при котором . Чем больше приложенная внешняя сила, тем ниже . При электродиализе, когда становится намного ниже объемной концентрации, сопротивление обедненного раствора становится довольно высоким. Плотность тока, связанная с этим состоянием, известна как предельная плотность тока. ^[5] ${\displaystyle J_{1}^{m}}$ ${\displaystyle J_{1}^{s}}$ ${\displaystyle c_{1}'}$ ${\displaystyle c_{1}''}$ ${\displaystyle J_{1}^{s}=J_{1}^{m}}$ ${\displaystyle c_{1}^{\prime }}$ ${\displaystyle c_{1}'}$

Концентрационная поляризация сильно влияет на производительность процесса разделения. Во-первых, изменения концентрации в растворе уменьшают движущую силу внутри мембраны, а следовательно, полезный поток/скорость разделения. В случае процессов, управляемых давлением, это явление вызывает увеличение градиента осмотического давления в мембране, что уменьшает чистый градиент движущего давления. В случае диализа движущий градиент концентрации в мембране уменьшается. ^[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 потребление энергии.

Более того, концентрационная поляризация приводит к:

• Увеличение утечки соли через мембрану
• Повышенная вероятность образования накипи/загрязнений

Таким образом, ухудшаются селективность разделения и срок службы мембраны.

Обычно для уменьшения концентрационной поляризации применяются повышенные скорости потока растворов между мембранами, а также прокладки, 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 объеме раствора. ^[7] При электродиализе дополнительное перемешивание раствора может быть получено путем подачи повышенного напряжения, где конвекция, вызванная током, происходит как гравитационная конвекция или электроконвекция. Электроконвекция определяется ^[8] как перенос объема, вызванный током, когда через заряженный раствор накладывается электрическое поле. Обсуждается 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 : предложены новые концепции электромембранных устройств для опреснения воды в сверхпредельном диапазоне тока. ^{[14] [15]}

Ссылки

1. С. П. Паркер, Словарь научных и технических терминов McGraw-Hill 6E, 2003.
2. AJ Bard, GR Inzelt, F. Scholz (ред.), Электрохимический словарь, Springer, Берлин, 2012.
3. J. Manzanares, K. Kontturi, В: Bard AJ, Stratmann M., Calvo EJ, редакторы. В Encyclopedia of Electrochemistry, Interfacial Kineticsand Mass Transport, VCH-Wiley, Weinheim; 2003.
4. EMV Hoek, M. Guiver, V. Nikonenko, VV Tarabara, AL Zydney, Терминология мембран, в: EMV Hoek, VV Tarabara (ред.), Энциклопедия мембранной науки и технологии, Wiley, Hoboken, NJ, 2013, т. 3, стр. 2219–2228.
5. Х. Стратманн, Процессы разделения с помощью ионообменной мембраны, Elsevier, Амстердам, 2004 г., стр. 166.
6. Р. В. Бейкер, Мембранные технологии и их применение, John Wiley & Sons, 2012.
7. IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. (The "Gold Book") (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) "диффузионный слой (концентрационный пограничный слой)". doi :10.1351/goldbook.D01725
8. RF Probstein, Физико-химическая гидродинамика, Wiley, NY, 1994.
9. И. Рубинштейн, Б. Зальцман, Электроосмотически индуцированная конвекция в проницаемой селективной мембране, Physical Review E 62 (2000) 2238.
10. Н. А. Мищук, Концентрационная поляризация интерфейса и нелинейные электрокинетические явления , Успехи в области коллоидных и интерфейсных наук 160 (2010) 16.
11. В. В. Никоненко, Н. Д. Письменская, Е. И. Белова, П. Систат, П. Юге, Ж. Пурселли, К. Ларше, Интенсивный перенос тока в мембранных системах: моделирование, механизмы и применение в электродиализе , Успехи в области коллоидных и интерфейсных наук 160 (2010) 101.
12. Y. Tanaka, Ионообменные мембраны: основы и применение, Elsevier, Амстердам, 2007.
13. J. De Jong, RGH Lammertink, M. Wessling, Мембраны и микрофлюидика: обзор, Lab on a Chip — Miniaturization for Chemistry and Biology 6 (9) (2006) 1125.
14. S.-J. Kim, S.-H. Ko, KH Kang, J. Han, Прямое опреснение морской воды с помощью поляризации концентрации ионов, Nature Nanotechnology 5 (2010) 297.
15. М. З. Базант, Э. В. Дайдек, Д. Дэн, А. Мани, Метод и устройство для опреснения и очистки, Патент США 2011/0308953 A1.