Koncentrační polarizace - Concentration polarization

Koncentrační polarizace je termín používaný ve vědeckých oborech elektrochemie a membránová věda.

V elektrochemii

v elektrochemie, koncentrační polarizace označuje část polarizace z elektrolytický článek vyplývající ze změn v koncentraci elektrolytu v důsledku průchodu proudu přes rozhraní elektroda / roztok.^[1] Tady polarizace je chápán jako posun elektrochemický potenciál rozdíl v buňce od její rovnovážné hodnoty. Pokud je tento výraz použit v tomto smyslu, odpovídá „nadměrný potenciál koncentrace ”.^[2][3] změny v koncentraci (vznik koncentračních gradientů v roztoku sousedícím s povrchem elektrody) jsou rozdílem v rychlosti elektrochemické reakce na elektrodě a rychlosti migrace iontů v roztoku z / na povrch. Když je chemický druh účastnící se elektrochemické elektrodové reakce nedostatkový, koncentrace tohoto druhu na povrchu klesá, což způsobuje difúzi, která se přidává k migračnímu transportu směrem k povrchu za účelem udržení rovnováhy mezi spotřebou a dodáním tohoto druhu .

Obr. 1. Toky a koncentrační profily v membráně a okolních roztocích. Na obr. A, je hnací síla aplikována na systém zpočátku v rovnováze: tok selektivně prostupujícího druhu v membráně, ${ displaystyle J_ {1} ^ {m}}$, je vyšší než jeho tok v roztoku, ${ displaystyle J_ {1} ^ {s}}$. Vyšší tok v membráně způsobuje snižování koncentrace na rozhraní před membránou / roztokem a zvyšování koncentrace na rozhraní po proudu (b). Koncentrační gradienty vedou k difúznímu transportu, který zvyšuje celkový tok v roztoku a snižuje tok v membráně. V ustáleném stavu, ${ displaystyle J_ {1} ^ {s} = J_ {1} ^ {m}}$.

Ve vědě a technologii membrán

v membránová věda a technologie „polarizace koncentrace označuje vznik koncentračních gradientů na rozhraní membrána / roztok, který je výsledkem selektivního přenosu některých druhů membránou pod účinkem transmembránových hnacích sil.^[4] Obecně je příčinou koncentrační polarizace schopnost membrány transportovat některé druhy snadněji než ostatní (což je membránová permselektivita ): zadržené druhy jsou koncentrovány na povrchu membrány proti proudu, zatímco koncentrace transportovaných druhů klesá. Fenomén polarizační koncentrace je tedy vlastní všem typům membránových separačních procesů. V případech separace plynů, pervaporation, membránová destilace, reverzní osmóza, nanofiltrace, ultrafiltrace, a mikrofiltrace separace, koncentrační profil má vyšší hladinu rozpuštěné látky nejblíže povrchu před membránou ve srovnání s víceméně dobře promíchanou objemovou tekutinou daleko od povrchu membrány. V případě dialýza a elektrodialýza, koncentrace selektivně transportovaných rozpuštěných druhů jsou sníženy na povrchu membrány proti proudu ve srovnání s objemovým roztokem. Vznik koncentračních gradientů je znázorněn na obr. 1a a 1b. Obr. La ukazuje koncentrační profil v blízkosti a uvnitř membrány, když je vnější hnací síla právě aplikována na původně rovnovážný systém. Koncentrační gradienty se dosud nevytvořily. Pokud je membrána selektivně propustná pro druh 1, její tok (${ displaystyle J_ {1} ^ {m}}$) v membráně je vyšší než v roztoku (${ displaystyle J_ {1} ^ {s}}$). Vyšší tok v membráně způsobuje pokles koncentrace na povrchu membrány proti proudu (${ displaystyle c_ {1} '}$) a nárůst na povrchu po proudu (${ displaystyle c_ {1} '}}$), Obr. 1b. Přední roztok se tedy vyčerpá a následný roztok se obohatí, pokud jde o druhy 1. Gradienty koncentrace způsobují další difúzní toky, které přispívají ke zvýšení celkového toku v roztocích a ke snížení toku v membráně. Výsledkem je, že systém dosáhne ustáleného stavu kde ${ displaystyle J_ {1} ^ {s} = J_ {1} ^ {m}}$. Čím větší je vnější síla, tím nižší ${ displaystyle c_ {1} ^ { prime}}$. Při elektrodialýze, když ${ displaystyle c_ {1} '}$ stane se mnohem nižší než objemová koncentrace, odpor ochuzeného roztoku se docela zvýší. Hustota proudu vztahující se k tomuto stavu je známá jako omezení hustoty proudu.^[5]

Koncentrační polarizace silně ovlivňuje výkon separačního procesu. Zaprvé, změny koncentrace v roztoku snižují hnací sílu v membráně, tedy užitečný tok / rychlost separace. V případě tlakově řízených procesů tento jev způsobuje zvýšení hodnoty osmotický tlak gradient v membráně, který snižuje čistý gradient hnacího tlaku. V případě dialýzy je gradient hnací koncentrace v membráně snížen.^[6] V případě elektromembránových procesů snižuje pokles potenciálu v difúzních mezních vrstvách gradient elektrického potenciálu v membráně. Nižší rychlost oddělení při stejné vnější hnací síle znamená zvýšenou spotřebu energie.

Koncentrace polarizace navíc vede k:

• Zvýšený únik soli přes membránu
• Zvýšená pravděpodobnost měřítko / znečištění rozvoj

Selektivita separace a životnost membrány se tak zhoršují.

Obecně se ke snížení polarizační koncentrace používají zvýšené průtokové rychlosti roztoků mezi membránami a také distanční vložky podporující turbulenci [5, 6]. Tato technika vede k lepšímu promíchání roztoku a ke snížení tloušťky difuzní mezní vrstvy, která je definována jako oblast v blízkosti elektrody nebo membrány, kde se koncentrace liší od jejich hodnoty v objemovém roztoku.^[7] Při elektrodialýze lze dosáhnout dalšího promíchání roztoku aplikací zvýšeného napětí, kde dochází k proudem indukované konvekci jako gravitační konvekce nebo elektrokonvekce. Elektrokonvekce je definována ^[8] jako proudem indukovaný objemový transport, když je elektrické pole vynuceno nabitým roztokem. Je diskutováno několik mechanismů elektrokonvekce.^{[9][10][11][12]} Ve zředěných roztocích umožňuje elektrokonvekce několikanásobně vyšší hustotu proudu, než je mezní hustota proudu.^[11] Elektrokonvekce se týká elektrokinetické jevy, které jsou důležité v mikrofluidní zařízení. Existuje tedy most mezi membránovou vědou a mikro / nanofluidikou.^[13] Ovocné nápady se přenášejí z mikrofluidika: byly navrženy nové koncepce elektro-membránových zařízení pro odsolování vody v rozsahu omezujícího proudu.^[14][15]

Reference