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膜技术的秘密：如何透过选择性传输来改变水的流动？
随着全球对干净水资源的需求日益增加，膜技术成为解决水资源问题的重要方法。其中，浓度极化（concentration polarization）是一个关键概念，特别是在电化学和膜科学领域。本篇文章将深入探讨浓度极化如何影响膜分离过程及其对水流动的改变。
浓度极化在电化学中的重要性
在电化学中，浓度极化是指由于电流通过电极/溶液界面而产生的电解质浓度变化。这一现象会导致电化学电池的极化，并使得其电化学电位差从平衡状态偏移。这种偏移的影响是由电极反应与离子在溶液中的迁移速度之间的差异引起的。
当电极反应中参与的化学物质短缺时，这种物质的浓度下降，随着扩散作用的发生来保持消耗和供应之间的平衡。
膜科学中的浓度极化
在膜科学和技术中，浓度极化指的是由于一些物质通过膜的选择性转移而在膜/溶液界面上产生的浓度梯度。这种现象是膜分离过程的固有特性，主要因为膜对某些物质的选择性传输能力。
在气体分离、膜蒸馏、反渗透、纳米过滤和微过滤等分离过程中，浓度剖面显示膜的上游表面溶质浓度较高，而在膜的下游，该浓度则相对较低。
例如，当外部驱动力作用于一个初始平衡系统时，膜的选择性透过性会导致膜上游的物质浓度下降，而下游则相对增加。这种浓度梯度的出现会引发新增的扩散通量，最终使得系统达到稳定状态。
浓度极化的影响与挑战
浓度极化对分离过程的性能有着强烈影响。溶液中的浓度变化会减少膜内部的推动力，进而减少有效的分离速率。在压力驱动过程中，这会引起渗透压梯度的增加，进一步减少净推动压力梯度。
此外，浓度极化还会导致盐类泄漏的增加和结垢/污垢的风险提升，从而损害膜的选择性和寿命。
应对浓度极化的策略
为了减少浓度极化的影响，通常会提高解决方案在膜之间的流速，并使用促进湍流的间隔装置。这些技术能够改善解决方案的混合状态并减少扩散边界层的厚度，这是一个在电极或膜附近浓度不同于其在液体中值的区域。
在电去离子过程中，通过施加较高的电压，可能还能获得进一步的混合，因为流动中会发生电流诱导的对流现象。这种称为电对流的现象，涉及到在施加电场时充电溶液中引起的体积运输。
膜技术与微流体装置的桥梁
膜科学和微流体学之间存在着密切的联系。以微流体设备为灵感，现今出现了许多新颖的电膜设备的设计，以便在超限电流范围内进行水的淡化。这促进了技术应用的创新，并为解决水资源问题提供了新的思路。
要成功应对全球水资源挑战，膜技术将如何进一步演变与创新？
