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Uma jornada fantástica de eletrólitos: O que acontece com a polarização da concentração quando a corrente flui?
Quando a corrente elétrica flui através de uma solução eletrolítica, a polarização da concentração ocorre silenciosamente, o que não afeta apenas o processo eletroquímico, mas também afeta profundamente a operação da ciência e tecnologia de membranas. Este fenômeno é um fenômeno de grande importância na comunidade científica, especialmente em eletroquímica e tecnologia de membrana. É essencialmente causado pela mudança na concentração de eletrólito causada pela passagem de corrente na interface entre o eletrodo e a solução.
Polarização de concentração em eletroquímica
No contexto da eletroquímica, a polarização de concentração descreve a porção da polarização da célula eletrolítica que é devida a mudanças na concentração do eletrólito quando a corrente passa pela interface eletrodo/solução. Nesse sentido, a polarização da concentração é equivalente ao “superpotencial de concentração”. Quando certas substâncias químicas participam de reações eletroquímicas, se seu fornecimento for insuficiente, a concentração da substância na superfície do eletrodo diminuirá. Isso faz com que processos de difusão mantenham um equilíbrio entre o fornecimento e o consumo de substâncias.
A polarização da concentração tem um impacto profundo na taxa de reações dos eletrodos e no processo de migração de íons.
Polarização de concentração na ciência da membrana
Com o desenvolvimento da tecnologia de membrana, o conceito de polarização de concentração também foi introduzido e estendido à ciência de membrana. Na tecnologia de membrana, a polarização de concentração se refere ao gradiente de concentração que ocorre na interface membrana/solução, que é causado pela transferência seletiva de certas espécies sob a influência da força motriz através da membrana. Este fenômeno é uma característica inerente a todos os processos de separação por membrana.
Por exemplo, em processos como separação de gases, separação por membrana evaporativa, osmose reversa, nanofiltração, ultrafiltração e microfiltração, a concentração de soluto perto da superfície a montante da membrana é frequentemente maior do que no fluido uniforme longe da superfície da membrana. .
Quando a membrana tem diferentes permeabilidades a certas substâncias, a inclinação do número de pêssego e a diferença de concentração na superfície da membrana podem levar à formação de polarização de concentração.
Efeitos da polarização da concentração no processo de separação por membrana
A polarização da concentração pode afetar significativamente o desempenho em processos de separação por membrana. Primeiro, mudanças na concentração da solução reduzirão a força motriz dentro da membrana, de modo que a taxa efetiva de separação diminuirá. Em um processo acionado por pressão, esse fenômeno leva a um aumento no gradiente de pressão osmótica dentro da membrana, reduzindo assim a pressão de acionamento líquida. Durante a diálise, o gradiente de concentração dentro da membrana também diminui.
O grande gradiente de concentração afetará a diferença de potencial e a condutividade da membrana, reduzindo a eficiência da separação.
Melhorar estratégias para abordar a polarização da concentração
De modo geral, para reduzir a polarização da concentração, aumentar a vazão da solução entre membranas e espaçadores que promovem turbulência são métodos comuns. Essa tecnologia permite uma melhor mistura da solução e reduz a espessura da camada limite de difusão. Especialmente durante a eletrodiálise, uma voltagem mais alta é aplicada para promover a convecção induzida pela corrente, melhorando ainda mais a mistura da solução.O fenômeno de condução indutiva é particularmente importante em soluções diluídas e pode aumentar significativamente a densidade de corrente ao exceder a densidade de corrente limite, abrindo novas ideias para o projeto de dispositivos microfluídicos. Ao mesmo tempo, isso também estimula o desenvolvimento de materiais de membrana para atingir maior desempenho.
Desafios e oportunidades futuros
No desenvolvimento futuro da tecnologia de membranas e dispositivos microfluídicos, o estudo da polarização de concentração ainda apresenta grandes desafios e oportunidades. Ao obter uma compreensão mais profunda dos mecanismos de polarização da concentração, os cientistas podem desenvolver tecnologias de separação mais eficientes e revolucionar ainda mais o tratamento de água e a conversão de energia usando microfluídica eletrocinética emergente.
Será possível rompermos as limitações da polarização da concentração em um futuro próximo e alcançar uma alocação e utilização de recursos mais eficientes?
