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Eine fantastische Reise der Elektrolyte: Was passiert mit der Konzentrationspolarisation, wenn Strom fließt?
Wenn elektrischer Strom durch eine Elektrolytlösung fließt, tritt still eine Konzentrationspolarisation auf, die sich nicht nur auf den elektrochemischen Prozess auswirkt, sondern auch tiefgreifende Auswirkungen auf die Funktionsweise der Membranwissenschaft und -technologie hat. Dieses Phänomen ist in der Wissenschaft, insbesondere in der Elektrochemie und Membrantechnik, von großer Bedeutung. Es wird im Wesentlichen durch die Änderung der Elektrolytkonzentration verursacht, die durch den Stromfluss an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Lösung verursacht wird.
Konzentrationspolarisation in der Elektrochemie
Im Zusammenhang mit der Elektrochemie beschreibt die Konzentrationspolarisation den Anteil der Polarisation einer Elektrolysezelle, der auf Veränderungen der Elektrolytkonzentration zurückzuführen ist, wenn Strom durch die Elektrode/Lösungsschnittstelle fließt. In diesem Sinne ist Konzentrationspolarisation gleichbedeutend mit „Konzentrationsüberspannung“. Wenn bestimmte chemische Substanzen an elektrochemischen Reaktionen teilnehmen und ihre Versorgung unzureichend ist, verringert sich die Konzentration der Substanz auf der Elektrodenoberfläche. Dadurch kommt es zu Diffusionsprozessen, die für ein Gleichgewicht zwischen Stoffangebot und -verbrauch sorgen.
Die Konzentrationspolarisation hat einen erheblichen Einfluss auf die Geschwindigkeit der Elektrodenreaktionen und den Migrationsprozess von Ionen.
Konzentrationspolarisation in der Membranwissenschaft
Mit der Entwicklung der Membrantechnologie wurde auch das Konzept der Konzentrationspolarisation eingeführt und in die Membranwissenschaft ausgeweitet. In der Membrantechnologie bezeichnet Konzentrationspolarisation den Konzentrationsgradienten, der an der Membran-Lösungs-Grenzfläche auftritt und durch den selektiven Transfer bestimmter Spezies unter dem Einfluss der Antriebskraft über die Membran verursacht wird. Dieses Phänomen ist ein inhärentes Merkmal aller Membrantrennverfahren.
Beispielsweise ist bei Prozessen wie Gastrennung, Verdampfungsmembrantrennung, Umkehrosmose, Nanofiltration, Ultrafiltration und Mikrofiltration die Konzentration der gelösten Stoffe in der Nähe der stromaufwärts gelegenen Oberfläche der Membran oft höher als in der gleichmäßigen Flüssigkeit weiter weg von der Membranoberfläche. .
Wenn die Membran für bestimmte Substanzen eine unterschiedliche Durchlässigkeit aufweist, kann es aufgrund der Steigung der Pfirsichzahl und des Konzentrationsunterschieds über die Membranoberfläche zur Ausbildung einer Konzentrationspolarisation kommen.
Auswirkungen der Konzentrationspolarisation auf den Membrantrennprozess
Konzentrationspolarisation kann die Leistung in Membrantrennprozessen erheblich beeinträchtigen. Erstens verringern Veränderungen der Lösungskonzentration die Antriebskraft innerhalb der Membran, sodass die effektive Trennrate abnimmt. Bei einem druckgetriebenen Prozess führt dieses Phänomen zu einer Erhöhung des osmotischen Druckgradienten innerhalb der Membran und damit zu einer Verringerung des Nettoantriebsdrucks. Während der Dialyse nimmt auch der treibende Konzentrationsgradient innerhalb der Membran ab.
Der große Konzentrationsgradient beeinflusst die Potentialdifferenz und die Leitfähigkeit der Membran und verringert so die Trennleistung.
Verbesserung der Strategien zur Bekämpfung der Konzentrationspolarisierung
Um die Konzentrationspolarisation zu reduzieren, ist es im Allgemeinen üblich, die Durchflussrate der Lösung zwischen Membranen und Abstandshaltern zu erhöhen, die Turbulenzen fördern. Diese Technologie ermöglicht eine bessere Lösungsmischung und reduziert die Dicke der Diffusionsgrenzschicht. Insbesondere während der Elektrodialyse wird eine höhere Spannung angelegt, um die strominduzierte Konvektion zu fördern und so die Durchmischung der Lösung weiter zu verbessern.Das Phänomen der induktiven Leitung ist insbesondere bei verdünnten Lösungen von Bedeutung und kann bei Überschreiten der Grenzstromdichte die Stromdichte deutlich erhöhen, was neue Ideen für die Gestaltung mikrofluidischer Geräte eröffnet. Dies führt gleichzeitig auch zu einer Weiterentwicklung der Membranmaterialien hin zu höheren Leistungen.
Zukünftige Herausforderungen und Chancen
Bei der zukünftigen Entwicklung der Membrantechnologie und mikrofluidischer Geräte birgt die Untersuchung der Konzentrationspolarisation noch große Herausforderungen und Chancen. Durch ein tieferes Verständnis der Mechanismen der Konzentrationspolarisation können Wissenschaftler effizientere Trenntechnologien entwickeln und die Wasseraufbereitung und Energieumwandlung mithilfe neuer elektrokinetischer Mikrofluidik weiter revolutionieren.
Ist es uns möglich, die Beschränkungen der Konzentrationspolarisierung in naher Zukunft zu durchbrechen und eine effizientere Ressourcenzuweisung und -nutzung zu erreichen?
