Концентрационная поляризация - Concentration polarization

Концентрационная поляризация это термин, используемый в научных областях электрохимия и мембранная наука.

В электрохимии

В электрохимия, концентрационная поляризация обозначает часть поляризация из электролитическая ячейка в результате изменения концентрации электролита из-за прохождения тока через границу раздела электрод / раствор.^[1] Здесь поляризация понимается как смещение электрохимический потенциал разница в ячейке от ее равновесного значения. Когда термин используется в этом смысле, он эквивалентен «концентрация перенапряжения ”.^[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 рис. а, движущая сила применяется к системе, первоначально находящейся в равновесии: поток селективно проникающих частиц в мембрану, ${\displaystyle J_{1}^{m}}$, больше его потока в растворе, ${\displaystyle J_{1}^{s}}$. 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 (б). Градиенты концентрации приводят к диффузионному переносу, который увеличивает общий поток в растворе и уменьшает поток в мембране. В устойчивом состоянии, ${\displaystyle J_{1}^{s}=J_{1}^{m}}$.

В мембранной науке и технике

В мембранная наука и техника, 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 селективность мембраны ): удерживаемые виды концентрируются на поверхности мембраны выше по потоку, в то время как концентрация переносимых видов уменьшается. Таким образом, явление концентрационной поляризации присуще всем типам процессов мембранного разделения. В случаях газоразделение, проникновение, мембранная перегонка, обратный осмос, нанофильтрация, ультрафильтрация, и микрофильтрация При разделении профиль концентрации имеет более высокий уровень растворенного вещества, ближайшего к верхней по потоку поверхности мембраны, по сравнению с более или менее хорошо перемешанной основной жидкостью вдали от поверхности мембраны. В случае диализ и электродиализ, 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 вида 1, ее поток (${\displaystyle J_{1}^{m}}$) внутри мембраны выше, чем в растворе (${\displaystyle J_{1}^{s}}$). Более высокий поток в мембране вызывает уменьшение концентрации на поверхности мембраны выше по потоку (${\displaystyle c_{1}'}$) и рост на нижней поверхности (${\displaystyle c_{1}''}$), 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 ${\displaystyle J_{1}^{s}=J_{1}^{m}}$. Чем больше приложенная внешняя сила, тем меньше ${\displaystyle c_{1}^{\prime }}$. При электродиализе, когда ${\displaystyle c_{1}'}$ становится намного ниже, чем объемная концентрация, сопротивление обедненного раствора становится значительно выше. Плотность тока, связанная с этим состоянием, известна как предельная плотность тока.^[5]

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 осмотическое давление градиент в мембране, который уменьшает чистый градиент управляющего давления. В случае диализа движущий градиент концентрации в мембране уменьшается.^[6] В случае электромембранных процессов падение потенциала в диффузионных пограничных слоях снижает 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
• Повышенная вероятность накипь / засорение разработка

Таким образом, селективность разделения и срок службы мембраны ухудшаются.

Обычно для уменьшения концентрационной поляризации используются 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 электрическое поле накладывается на заряженный раствор. 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 электрокинетические явления, которые важны в микрофлюидный устройств. Таким образом, существует мост между наукой о мембранах и микро / наножидкости.^[13] Плодотворные идеи переносятся из микрофлюидика: предложены новые концепции электромембранных устройств для опреснения воды в сверхпредельном диапазоне токов.^[14][15]

Рекомендации

1. С.П. Паркер, Словарь научных и технических терминов McGraw-Hill 6E, 2003.
2. А.Дж. Бард, Г. Инцельт, Ф. Шольц (ред.), Электрохимический словарь, Springer, Берлин, 2012.
3. J. Manzanares, K. Kontturi, In: Bard A.J., Stratmann M., Calvo E.J., редакторы. В Энциклопедии электрохимии, межфазной кинетики и массопереноса, VCH-Wiley, Weinheim; 2003 г.
4. E.M.V. Хук, М. Гивер, В. Никоненко, В.В. Тарабара, А.Л. Зидней, Мембранная терминология, в кн .: E.M.V. Хук, В. Тарабара (ред.), Энциклопедия мембранной науки и технологии, Wiley, Hoboken, NJ, 2013, Vol. 3. С. 2219–2228.
5. Х. Стратманн, Процессы ионообменной мембранной сепарации, Elsevier, Амстердам, 2004, с. 166
6. Р.В. Бейкер, Мембранные технологии и приложения, John Wiley & Sons, 2012.
7. ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "диффузионный слой (концентрационный пограничный слой) ". Дои:10.1351 / goldbook.D01725
8. Р.Ф. Пробштейн, Физико-химическая гидродинамика, Wiley, NY, 1994.
9. И. Рубинштейн, Б. Зальцман, Электроосмотическая конвекция на проницаемой мембране, Physical Review E 62 (2000) 2238.
10. Мищук Н.А., Концентрационная поляризация интерфейса и нелинейность. электрокинетические явления, Достижения в науке о коллоидах и интерфейсах 160 (2010) 16.
11. В.В. Никоненко, Н.Д. Письменская, Е.И. Белова, П. Систат, П. Хуге, Дж. Порселли, К. Ларше, Интенсивный перенос тока в мембранных системах: моделирование, механизмы и применение в электродиализ, Достижения в области коллоидной и интерфейсной науки 160 (2010) 101.
12. Ю. Танака, Ионообменные мембраны: основы и приложения, Elsevier, Амстердам, 2007.
13. Дж. Де Йонг, R.G.H. Ламмертинк, М. Весслинг, Мембраны и микрофлюидика: обзор, Лаборатория на чипе - Миниатюризация для химии и биологии 6 (9) (2006) 1125.
14. С.-Дж. Ким, С.-Х. Ко, К. Канг, Дж. Хан, Прямая морская вода опреснение по поляризации концентрации ионов, Nature Nanotechnology 5 (2010) 297.
15. М.З. Базант, Э. Дайдек, Д. Денг, А. Мани, Способ и устройство для опреснения и очистки, Патент США 2011/0308953 A1.