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El superpoder de las membranas: ¿Cómo abordar la polarización de la concentración y mejorar la eficiencia de la separación?
En el desarrollo de la ciencia y la tecnología de membranas, la "polarización de concentración" es un concepto crucial. Este fenómeno se refiere al transporte selectivo de ciertas especies a través de una membrana, lo que resulta en la formación de un gradiente de concentración en la interfaz membrana/solución. Esto no sólo afecta la funcionalidad de la membrana, sino también la eficiencia de varios procesos de separación.
La polarización de la concentración es una característica inherente a todos los procesos de separación por membrana y afectará el efecto de separación y la vida útil de la membrana.
En los procesos electroquímicos también existe polarización por concentración. Cuando la corriente pasa a través de la interfaz electrodo/solución, los cambios en la concentración de electrolitos provocan la aparición de polarización. En este caso, la "polarización" se refiere al cambio de la diferencia de potencial en una celda electroquímica en comparación con el valor de equilibrio. El gradiente de concentración resultante afecta directamente la velocidad de la reacción electroquímica.
En el proceso de separación por membrana, la capacidad de la membrana para transferir selectivamente diferentes sustancias determina su eficiencia de separación. Por ejemplo, durante la ósmosis inversa, la concentración de ciertas sustancias en la superficie de la membrana aumenta, mientras que la concentración de otras sustancias disminuye a medida que son transportadas selectivamente. Esto hace que la concentración aguas arriba de la membrana se diluya, lo que agrava aún más el fenómeno de polarización de la concentración.
A medida que avanza el proceso de operación de la membrana, el caudal de una sustancia específica disminuirá, lo que afectará la tasa y el efecto de separación.
En la separación de gases u otros procesos de membrana como la nanofiltración, la ultrafiltración y la microfiltración, la presencia de un gradiente de concentración produce un aumento del flujo de difusión del disolvente y una disminución del flujo de la sustancia en la membrana. Este desequilibrio acabará provocando que el sistema alcance un estado estable, donde el flujo en la membrana corresponde al flujo en el fluido, siendo la eficiencia de este proceso influenciada por la presión externa y la selectividad de la membrana.
Para reducir el impacto de la polarización de la concentración, aumentar el caudal de la solución entre las membranas y utilizar deflectores para promover la turbulencia se han convertido en métodos eficaces. Esta tecnología puede mejorar eficazmente el grado de mezcla de la solución, reducir el espesor de la capa límite de difusión y, por lo tanto, mejorar la eficiencia de separación.
"La convección inducida por corriente permite que las densidades de corriente en soluciones diluidas sean significativamente mayores que la densidad de corriente límite".
Además, durante la electrodiálisis, la aplicación de voltajes más altos puede mezclar aún más las soluciones, creando un fenómeno conocido como electroconvección. Este fenómeno se debe al transporte de volumen en la solución cargada que ocurre en presencia de un campo eléctrico, lo que mejora efectivamente la eficiencia general de separación.
Con el rápido desarrollo de la microfluídica, se han aplicado muchas ideas nuevas a la tecnología de membranas, especialmente en la desalinización de agua y otras aplicaciones. Estos conceptos interdisciplinarios continúan abriendo nuevas posibilidades para el futuro de las membranas.
¿Cómo podemos mejorar aún más la tecnología de membranas para lograr una mayor eficiencia de separación ante el desafío de la polarización de la concentración? Este sigue siendo un tema importante y un desafío en la investigación de la ciencia de las membranas.
