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O segredo da tecnologia de membranas: como alterar o fluxo da água por meio do transporte seletivo?
Com a crescente demanda global por recursos de água limpa, a tecnologia de membranas tornou-se um método importante para resolver problemas de recursos hídricos. Entre eles, a polarização de concentração é um conceito chave, especialmente nas áreas de eletroquímica e ciência de membranas. Este artigo fornecerá uma visão aprofundada de como a polarização de concentração afeta o processo de separação por membrana e como ela altera o fluxo de água.
A importância da polarização de concentração em eletroquímica
Em eletroquímica, a polarização de concentração refere-se à mudança na concentração do eletrólito causada pela passagem de corrente elétrica através da interface eletrodo/solução. Este fenômeno causa polarização da célula eletroquímica e desvia sua diferença de potencial eletroquímico do equilíbrio. O efeito desta mudança é causado pela diferença entre a reação do eletrodo e a velocidade de migração dos íons na solução.
Quando há escassez de um produto químico envolvido em uma reação do eletrodo, a concentração dessa substância cai, à medida que ocorre a difusão para manter o equilíbrio entre consumo e fornecimento.
Polarização de concentração na ciência de membranas
Na ciência e tecnologia de membranas, a polarização de concentração refere-se ao gradiente de concentração produzido na interface membrana/solução devido à transferência seletiva de algumas espécies através da membrana. Este fenômeno é inerente ao processo de separação por membrana, principalmente devido à capacidade da membrana de transportar seletivamente determinadas substâncias.
Em processos de separação como separação de gases, destilação por membrana, osmose reversa, nanofiltração e microfiltração, o perfil de concentração mostra que a concentração de soluto é maior na superfície a montante da membrana, enquanto a concentração é relativamente menor a jusante da membrana.
Por exemplo, quando uma força motriz externa atua sobre um sistema de equilíbrio inicial, a permeabilidade seletiva da membrana fará com que a concentração de substâncias a montante da membrana diminua, enquanto aumentará relativamente a jusante. O surgimento deste gradiente de concentração irá desencadear um fluxo de difusão adicional, eventualmente fazendo com que o sistema atinja um estado estável.
O impacto e os desafios da polarização de concentração
A polarização da concentração tem um forte impacto no desempenho dos processos de separação. Mudanças de concentração na solução reduzem a força motriz dentro da membrana, reduzindo assim a taxa efetiva de separação. Durante a condução de pressão, isto provoca um aumento no gradiente de pressão osmótica, reduzindo ainda mais o gradiente líquido de pressão de condução.
Além disso, a polarização da concentração pode levar ao aumento do vazamento de sal e ao aumento do risco de incrustação/incrustação, comprometendo a seletividade e a longevidade da membrana.
Estratégias para lidar com a polarização da concentração
Para reduzir os efeitos da polarização de concentração, é comum aumentar a vazão da solução entre as membranas e utilizar espaçadores que promovam turbulência. Essas técnicas podem melhorar o estado de mistura da solução e reduzir a espessura da camada limite de difusão, região onde a concentração próxima ao eletrodo ou membrana difere de seu valor no líquido.
Uma mistura adicional pode ser obtida aplicando tensões mais altas durante a eletrodeionização, uma vez que ocorrem fenômenos de convecção induzidos por corrente no fluxo. Este fenômeno, denominado eletroconvecção, envolve transporte de volume induzido em uma solução carregada quando um campo elétrico é aplicado.
A ponte entre a tecnologia de membrana e os dispositivos microfluídicos
Existem conexões estreitas entre a ciência das membranas e a microfluídica. Inspirados em dispositivos microfluídicos, muitos novos designs de dispositivos eletromembrana surgiram para dessalinizar a água em uma faixa de corrente ultralimitada. Isto promove a inovação em aplicações tecnológicas e fornece novas ideias para resolver problemas de recursos hídricos.
Para enfrentar com sucesso os desafios globais de recursos hídricos, como a tecnologia de membrana evoluirá e inovará ainda mais?
