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Un viaje fantástico de electrolitos: ¿Qué sucede con la polarización de concentración cuando fluye corriente?
Cuando la corriente eléctrica fluye a través de una solución electrolítica, se produce silenciosamente una polarización de concentración que no sólo afecta al proceso electroquímico, sino que también afecta profundamente el funcionamiento de la ciencia y la tecnología de las membranas. Este fenómeno es de gran importancia en la comunidad científica, especialmente en electroquímica y tecnología de membranas. Se produce fundamentalmente por el cambio de concentración del electrolito provocado por el paso de corriente en la interfase entre el electrodo y la solución.
Polarización de la concentración en electroquímicaEn el contexto de la electroquímica, la polarización de concentración describe la parte de la polarización de la celda electrolítica que se debe a los cambios en la concentración del electrolito cuando la corriente pasa a través de la interfaz electrodo/solución. En este sentido, la polarización de concentración es equivalente a un “sobrepotencial de concentración”. Cuando ciertas sustancias químicas participan en reacciones electroquímicas, si su suministro es insuficiente, la concentración de la sustancia en la superficie del electrodo disminuirá. Esto provoca que los procesos de difusión mantengan un equilibrio entre el suministro y el consumo de sustancias.
Polarización de la concentración en la ciencia de las membranasLa polarización de concentración tiene un impacto profundo en la velocidad de las reacciones de los electrodos y en el proceso de migración de iones.
Con el desarrollo de la tecnología de membranas, el concepto de polarización de concentración también se ha introducido y extendido a la ciencia de membranas. En tecnología de membranas, la polarización de concentración se refiere al gradiente de concentración que se produce en la interfaz membrana/solución, que es causado por la transferencia selectiva de ciertas especies bajo la influencia de la fuerza impulsora a través de la membrana. Este fenómeno es una característica inherente a todos los procesos de separación por membrana.
Por ejemplo, en procesos como la separación de gases, la separación por membrana evaporativa, la ósmosis inversa, la nanofiltración, la ultrafiltración y la microfiltración, la concentración de soluto cerca de la superficie ascendente de la membrana suele ser mayor que en el fluido uniforme alejado de la superficie de la membrana. .
Cuando la membrana tiene diferentes permeabilidades a ciertas sustancias, la pendiente del número de melocotón y la diferencia de concentración a través de la superficie de la membrana pueden conducir a la formación de polarización de concentración.
Efectos de la polarización de la concentración en el proceso de separación por membrana
La polarización de la concentración puede afectar significativamente el rendimiento en los procesos de separación por membrana. En primer lugar, los cambios en la concentración de la solución reducirán la fuerza impulsora dentro de la membrana, por lo que la tasa efectiva de separación disminuirá. En un proceso impulsado por presión, este fenómeno conduce a un aumento del gradiente de presión osmótica dentro de la membrana, reduciendo así la presión impulsora neta. Durante la diálisis, el gradiente de concentración impulsor dentro de la membrana también disminuye.
El gran gradiente de concentración afectará la diferencia de potencial y la conductividad de la membrana, reduciendo la eficiencia de separación.
Mejorar las estrategias para abordar la polarización de la concentración
En términos generales, para reducir la polarización de la concentración, aumentar el caudal de la solución entre membranas y espaciadores que promueven la turbulencia son métodos comunes. Esta tecnología permite una mejor mezcla de soluciones y reduce el espesor de la capa límite de difusión. Especialmente durante la electrodiálisis, se aplica un voltaje más alto para promover la convección inducida por corriente, mejorando aún más la mezcla de la solución.El fenómeno de conducción inductiva es particularmente importante en soluciones diluidas y puede aumentar significativamente la densidad de corriente cuando se excede la densidad de corriente límite, abriendo nuevas ideas para el diseño de dispositivos microfluídicos. Al mismo tiempo, esto también impulsa el desarrollo de materiales de membrana para avanzar hacia un mayor rendimiento.
Desafíos y oportunidades futuras
En el futuro desarrollo de la tecnología de membranas y dispositivos microfluídicos, el estudio de la polarización de la concentración aún presenta grandes desafíos y oportunidades. Al adquirir una comprensión más profunda de los mecanismos de polarización de la concentración, los científicos pueden desarrollar tecnologías de separación más eficientes y revolucionar aún más el tratamiento del agua y la conversión de energía utilizando la microfluídica electrocinética emergente.
¿Será posible para nosotros superar las limitaciones de la polarización de la concentración en el futuro cercano y lograr una asignación y utilización más eficiente de los recursos?