Language
Country/Area
No result found
Секрет мембранной технологии: как изменить поток воды посредством избирательного транспорта?
С ростом глобального спроса на чистые водные ресурсы мембранные технологии стали важным методом решения проблем водных ресурсов. Среди них концентрационная поляризация является ключевым понятием, особенно в области электрохимии и мембрановедения. В этой статье будет подробно рассмотрено, как концентрационная поляризация влияет на процесс мембранного разделения и как она меняет поток воды.
Важность концентрационной поляризации в электрохимии
В электрохимии концентрационная поляризация относится к изменению концентрации электролита, вызванному прохождением электрического тока через границу раздела электрод/раствор. Это явление вызывает поляризацию электрохимической ячейки и смещает ее разность электрохимических потенциалов от равновесия. Эффект этого сдвига обусловлен разницей между электродной реакцией и скоростью миграции ионов в растворе.
При нехватке химического вещества, участвующего в электродной реакции, концентрация этого вещества падает, поскольку происходит диффузия для поддержания баланса между потреблением и поставкой.
Концентрационная поляризация в мембрановедении
В мембранной науке и технологии концентрационная поляризация относится к градиенту концентрации, возникающему на границе раздела мембрана/раствор из-за избирательного переноса некоторых веществ через мембрану. Это явление присуще процессу мембранного разделения, главным образом из-за способности мембраны избирательно транспортировать определенные вещества.
В процессах разделения, таких как разделение газов, мембранная дистилляция, обратный осмос, нанофильтрация и микрофильтрация, профиль концентрации показывает, что концентрация растворенного вещества выше на входной поверхности мембраны, в то время как концентрация относительно ниже по потоку от мембраны.
Например, когда на исходно равновесную систему действует внешняя движущая сила, избирательная проницаемость мембраны приведет к уменьшению концентрации веществ перед мембраной и увеличению ее относительно нижней части. Появление этого градиента концентрации вызовет дополнительный диффузионный поток, который в конечном итоге приведет к переходу системы в стабильное состояние.
Влияние и проблемы концентрационной поляризации
Концентрационная поляризация оказывает сильное влияние на эффективность процессов разделения. Изменения концентрации в растворе уменьшают движущую силу внутри мембраны, тем самым снижая эффективную скорость разделения. Во время воздействия давления это вызывает увеличение градиента осмотического давления, что еще больше снижает чистый градиент давления.
Кроме того, концентрационная поляризация может привести к увеличению утечки солей и повышенному риску образования накипи/засорения, что снижает селективность и долговечность мембраны.
Стратегии борьбы с концентрационной поляризацией
Чтобы уменьшить эффект концентрационной поляризации, обычно увеличивают скорость потока раствора между мембранами и используют прокладки, способствующие турбулентности. Эти методы могут улучшить состояние смешивания раствора и уменьшить толщину диффузионного пограничного слоя - области, где концентрация вблизи электрода или мембраны отличается от ее значения в жидкости.
Дальнейшего перемешивания можно добиться применением более высоких напряжений при электродионизации, поскольку в потоке возникают явления индуцированной током конвекции. Это явление, называемое электроконвекцией, включает перенос объема, индуцируемый в заряженном растворе при приложении электрического поля.
Мост между мембранными технологиями и микрофлюидными устройствами
Между мембранной наукой и микрофлюидикой существует тесная связь. Вдохновленные микрофлюидными устройствами, появилось множество новых конструкций электромембранных устройств для опреснения воды в сверхограниченном диапазоне токов. Это способствует инновациям в технологических приложениях и предлагает новые идеи для решения проблем водных ресурсов.
Как мембранные технологии будут развиваться и внедрять инновации, чтобы успешно решать глобальные проблемы водных ресурсов?
