Концентрационная поляризация

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

В электрохимии [ править ]

В электрохимии , концентрация поляризация обозначает часть поляризации в качестве электролитической ячейки в результате изменений в концентрации электролита в результате прохождения тока через границу раздела электрода / раствор. ^[1] Здесь под поляризацией понимается сдвиг разности электрохимических потенциалов в ячейке от ее равновесного значения. Когда термин используется в этом смысле, он эквивалентен « перенапряжение 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 переносу миграции к поверхности, чтобы поддерживать баланс потребления и доставки этого вещества. .

Рис. 1. Потоки и концентрационные профили в мембране и окружающих растворах. . На рисе , движущая сила прикладывается к системе , первоначально в равновесии: поток селективно пронизывающие видов в мембране, оказывается выше , чем его поток в растворе, . Более высокий поток в мембране вызывает уменьшение концентрации на границе раздела мембрана / раствор выше по потоку и увеличение концентрации на границе раздела ниже по потоку ( b ). Градиенты концентрации вызывают диффузионный перенос, который увеличивает общий поток в растворе и уменьшает поток в мембране. В устойчивом состоянии .${\ displaystyle J_ {1} ^ {m}}$${\ displaystyle J_ {1} ^ {s}}$${\ displaystyle J_ {1} ^ {s} = J_ {1} ^ {m}}$

В мембранной науке и технике [ править ]

В мембранной науке и технологии концентрационная поляризация относится к появлению градиентов концентрации на границе раздела мембрана / раствор в результате избирательного переноса некоторых веществ через мембрану под действием трансмембранных движущих сил. ^[4] Как правило, причиной концентрационной поляризации является способность мембраны переносить одни частицы легче, чем другие (что является селективностью мембраны ): удерживаемые частицы концентрируются на поверхности мембраны выше по потоку, в то время как концентрация количество транспортируемых видов уменьшается. Таким образом, явление концентрационной поляризации присуще всем типам процессов мембранного разделения. В случаях разделените газы , первапорацияПри мембранной дистилляции , обратном осмосе , 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 основной жидкостью вдали от поверхности мембраны. В случае диализа и электродиализа, концентрации селективно переносимых растворенных веществ снижаются на поверхности мембраны выше по потоку по сравнению с объемным раствором. Возникновение градиентов концентрации показано на рис. 1а и 1б. На рис. 1а показан профиль концентрации вблизи и внутри мембраны, когда внешняя движущая сила просто приложена к первоначально равновесной системе. Градиенты концентрации еще не сформированы. Если мембрана избирательно проницаема для частиц 1, ее поток ( ) внутри мембраны выше, чем в растворе ( ). Более высокий поток в мембране вызывает уменьшение концентрации на поверхности мембраны выше по потоку ( ) и увеличение на поверхности ниже по потоку (${\ displaystyle J_ {1} ^ {m}}$${\ displaystyle J_ {1} ^ {s}}$${\ displaystyle c_ {1} '}$${\ displaystyle c_ {1} ''}$), Рис. 1б. Таким образом, раствор, находящийся выше по потоку, истощается, а раствор ниже по потоку обогащается частицами 1. Градиенты концентрации вызывают дополнительные диффузионные потоки, которые способствуют увеличению общего потока в растворах и уменьшению потока в мембране. В результате система достигает устойчивого состояния, когда . Чем больше приложенная внешняя сила, тем меньше . При электродиализе, когда концентрация становится намного ниже, чем объемная концентрация, сопротивление обедненного раствора становится значительно повышенным. Плотность тока, связанная с этим состоянием, известна как предельная плотность тока . ^[5]${\ displaystyle J_ {1} ^ {s} = J_ {1} ^ {m}}$${\ 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, следовательно, полезный поток / скорость разделения. В случае процессов, управляемых давлением, это явление вызывает увеличение градиента осмотического давления в мембране, что снижает чистый градиент управляющего 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 отделения при той же внешней движущей силе означает повышенное потребление энергии.

Кроме того, концентрационная поляризация приводит к:

• Повышенное просачивание соли через мембрану
• Повышена вероятность масштабного / обрастания развития

Таким образом, селективность разделения и срок службы мембраны ухудшаются.

Обычно для уменьшения концентрационной поляризации применяются увеличенные 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 значений в объеме раствора. ^[7] При электродиализе дополнительное перемешивание раствора может быть получено путем приложения повышенного напряжения там, где индуцированная током конвекция происходит как гравитационная конвекция или электроконвекция. Электроконвекция определяется ^[8]как индуцированный током объемный перенос, когда через заряженный раствор наложено электрическое поле. Обсуждаются несколько механизмов электроконвекции. ^{[9] [10] [11] [12]} В разбавленных растворах электроконвекция позволяет увеличить плотность тока в несколько раз выше предельной. ^[11] Электроконвекция относится к электрокинетическим явлениям , которые важны в микрофлюидных устройствах. Таким образом, существует мост между наукой о мембранах и микро / наножидкости. ^[13] Плодотворные идеи заимствованы из микрофлюидики : были предложены новые концепции электромембранных устройств для опреснения воды в сверхпредельном диапазоне токов.^{[14] [15]}

Ссылки [ править ]