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Le voyage fantastique des électrolytes : qu'arrive-t-il à la polarisation de concentration lorsque le courant électrique circule ?
Lorsque le courant électrique traverse une solution électrolytique, la polarisation de concentration se produit silencieusement, ce qui affecte non seulement le processus électrochimique, mais affecte également profondément le fonctionnement de la science et de la technologie des membranes. Ce phénomène revêt une grande importance dans la communauté scientifique, notamment en électrochimie et en technologie membranaire. Il est essentiellement causé par le changement de concentration de l'électrolyte provoqué par le passage du courant à l'interface entre l'électrode et la solution.
Polarisation de concentration en électrochimie
Dans le contexte de l'électrochimie, la polarisation de concentration décrit la partie de la polarisation de la cellule électrolytique qui est due aux changements de concentration de l'électrolyte lorsque le courant traverse l'interface électrode/solution. En ce sens, la polarisation de concentration équivaut à une « surtension de concentration ». Lorsque certaines substances chimiques participent à des réactions électrochimiques, si leur apport est insuffisant, la concentration de la substance sur la surface de l'électrode diminuera. Cela provoque des processus de diffusion pour maintenir un équilibre entre l’apport et la consommation de substances.
La polarisation de concentration a un impact profond sur la vitesse des réactions des électrodes et sur le processus de migration des ions.
Polarisation de concentration dans la science des membranes
Avec le développement de la technologie des membranes, le concept de polarisation de concentration a également été introduit et étendu à la science des membranes. Dans la technologie membranaire, la polarisation de concentration fait référence au gradient de concentration qui se produit à l'interface membrane/solution, qui est causé par le transfert sélectif de certaines espèces sous l'influence de la force motrice à travers la membrane. Ce phénomène est une caractéristique inhérente à tous les processus de séparation membranaire.
Par exemple, dans des procédés tels que la séparation des gaz, la séparation par membrane évaporative, l'osmose inverse, la nanofiltration, l'ultrafiltration et la microfiltration, la concentration de soluté près de la surface en amont de la membrane est souvent plus élevée que dans le fluide uniforme éloigné de la surface de la membrane. .
Lorsque la membrane présente des perméabilités différentes à certaines substances, la pente du nombre de pêche et la différence de concentration à travers la surface de la membrane peuvent conduire à la formation d'une polarisation de concentration.
Effets de la polarisation de concentration sur le processus de séparation membranaire
La polarisation de concentration peut affecter considérablement les performances des processus de séparation membranaire. Premièrement, les changements dans la concentration de la solution réduiront la force motrice à l’intérieur de la membrane, de sorte que le taux de séparation effectif diminuera. Dans un processus sous pression, ce phénomène conduit à une augmentation du gradient de pression osmotique à l'intérieur de la membrane, réduisant ainsi la pression motrice nette. Au cours de la dialyse, le gradient de concentration motrice à l'intérieur de la membrane diminue également.
Le grand gradient de concentration affectera la différence de potentiel et la conductivité de la membrane, réduisant ainsi l'efficacité de la séparation.
Améliorer les stratégies pour lutter contre la polarisation de la concentration
D'une manière générale, afin de réduire la polarisation de concentration, l'augmentation du débit de la solution entre les membranes et les espaceurs favorisant la turbulence sont des méthodes courantes. Cette technologie permet un meilleur mélange des solutions et réduit l’épaisseur de la couche limite de diffusion. En particulier lors de l'électrodialyse, une tension plus élevée est appliquée pour favoriser la convection induite par le courant, améliorant encore le mélange de la solution.Le phénomène de conduction inductive est particulièrement important dans les solutions diluées et peut augmenter considérablement la densité de courant lorsque la densité de courant limite est dépassée, ouvrant de nouvelles idées pour la conception de dispositifs microfluidiques. Dans le même temps, cela encourage également le développement de matériaux membranaires visant à atteindre des performances supérieures.
Défis et opportunités futurs
Dans le développement futur de la technologie des membranes et des dispositifs microfluidiques, l’étude de la polarisation de concentration présente encore de grands défis et opportunités. En acquérant une compréhension plus approfondie des mécanismes de polarisation de concentration, les scientifiques peuvent développer des technologies de séparation plus efficaces et révolutionner davantage le traitement de l’eau et la conversion d’énergie en utilisant la microfluidique électrocinétique émergente.
Est-il possible pour nous de dépasser les limites de la polarisation de concentration dans un avenir proche et de parvenir à une allocation et une utilisation plus efficaces des ressources ?
