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Le super pouvoir des membranes : comment gérer la polarisation de concentration et améliorer l'efficacité de séparation ?
Dans le développement de la science et de la technologie des membranes, la « polarisation de concentration » est un concept crucial. Ce phénomène fait référence au transport sélectif de certaines espèces à travers une membrane, entraînant la formation d'un gradient de concentration à l'interface membrane/solution. Cela affecte non seulement la fonctionnalité de la membrane, mais également l’efficacité de divers processus de séparation.
La polarisation de concentration est une caractéristique inhérente à tous les processus de séparation membranaire et affectera l'effet de séparation et la durée de vie de la membrane.
Dans les processus électrochimiques, la polarisation de concentration existe également. Lorsque le courant traverse l’interface électrode/solution, les changements de concentration d’électrolyte entraînent l’apparition d’une polarisation. La « polarisation » désigne ici la variation de la différence de potentiel dans une cellule électrochimique par rapport à la valeur d'équilibre. Le gradient de concentration qui en résulte affecte directement la vitesse de la réaction électrochimique.
Dans le processus de séparation par membrane, la capacité de transmission sélective de la membrane pour différentes substances détermine son efficacité de séparation. Par exemple, lors de l’osmose inverse, la concentration de certaines substances à la surface de la membrane augmente, tandis que la concentration d’autres substances diminue à mesure qu’elles sont transportées de manière sélective. Cela provoque une dilution de la concentration en amont de la membrane, ce qui aggrave encore le phénomène de polarisation de la concentration.
Au fur et à mesure que le processus de fonctionnement de la membrane progresse, le débit d'une substance spécifique diminuera, ce qui affectera le taux et l'effet de séparation.
Dans la séparation des gaz ou d'autres procédés membranaires tels que la nanofiltration, l'ultrafiltration et la microfiltration, la présence d'un gradient de concentration entraîne une augmentation du flux de diffusion du solvant et une diminution du flux de la substance dans la membrane. Ce déséquilibre finira par amener le système à atteindre un état stable, où le débit dans la membrane correspond au débit dans le fluide, l'efficacité de ce processus étant influencée par la pression externe et la sélectivité de la membrane.
Afin de réduire l’impact de la polarisation de concentration, l’augmentation du débit de la solution entre les membranes et l’utilisation de chicanes pour favoriser la turbulence sont devenues des méthodes efficaces. Cette technologie peut améliorer efficacement le degré de mélange de la solution, réduire l’épaisseur de la couche limite de diffusion et ainsi améliorer l’efficacité de la séparation.
« La convection induite par le courant permet aux densités de courant dans les solutions diluées d'être considérablement plus élevées que la densité de courant limite. »
De plus, lors de l’électrodialyse, l’application de tensions plus élevées peut mélanger davantage les solutions, créant un phénomène connu sous le nom d’électroconvection. Ce phénomène est dû au transport de volume dans la solution chargée se produisant en présence d'un champ électrique, ce qui améliore efficacement l'efficacité globale de séparation.
Avec le développement rapide de la microfluidique, de nombreuses nouvelles idées ont été appliquées à la technologie membranaire, en particulier dans le dessalement de l’eau et d’autres applications. Ces concepts interdisciplinaires continuent d’ouvrir de nouvelles possibilités pour l’avenir des membranes.
Comment pouvons-nous améliorer encore la technologie des membranes pour atteindre une efficacité de séparation plus élevée face au défi de la polarisation de concentration ? Cela reste un sujet et un défi important dans la recherche en science des membranes.
