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膜技術的秘密：如何透過選擇性傳輸來改變水的流動？
隨著全球對乾淨水資源的需求日益增加，膜技術成為解決水資源問題的重要方法。其中，濃度極化（concentration polarization）是一個關鍵概念，特別是在電化學和膜科學領域。本篇文章將深入探討濃度極化如何影響膜分離過程及其對水流動的改變。
濃度極化在電化學中的重要性
在電化學中，濃度極化是指由於電流通過電極/溶液界面而產生的電解質濃度變化。這一現象會導致電化學電池的極化，並使得其電化學電位差從平衡狀態偏移。這種偏移的影響是由電極反應與離子在溶液中的遷移速度之間的差異引起的。
當電極反應中參與的化學物質短缺時，這種物質的濃度下降，隨著擴散作用的發生來保持消耗和供應之間的平衡。
膜科學中的濃度極化
在膜科學和技術中，濃度極化指的是由於一些物質通過膜的選擇性轉移而在膜/溶液界面上產生的濃度梯度。這種現象是膜分離過程的固有特性，主要因為膜對某些物質的選擇性傳輸能力。
在氣體分離、膜蒸餾、反滲透、納米過濾和微過濾等分離過程中，濃度剖面顯示膜的上游表面溶質濃度較高，而在膜的下游，該濃度則相對較低。
例如，當外部驅動力作用於一個初始平衡系統時，膜的選擇性透過性會導致膜上游的物質濃度下降，而下游則相對增加。這種濃度梯度的出現會引發新增的擴散通量，最終使得系統達到穩定狀態。
濃度極化的影響與挑戰
濃度極化對分離過程的性能有著強烈影響。溶液中的濃度變化會減少膜內部的推動力，進而減少有效的分離速率。在壓力驅動過程中，這會引起滲透壓梯度的增加，進一步減少淨推動壓力梯度。
此外，濃度極化還會導致鹽類洩漏的增加和結垢/污垢的風險提升，從而損害膜的選擇性和壽命。
應對濃度極化的策略
為了減少濃度極化的影響，通常會提高解決方案在膜之間的流速，並使用促進湍流的間隔裝置。這些技術能夠改善解決方案的混合狀態並減少擴散邊界層的厚度，這是一個在電極或膜附近濃度不同於其在液體中值的區域。
在電去離子過程中，通過施加較高的電壓，可能還能獲得進一步的混合，因為流動中會發生電流誘導的對流現象。這種稱為電對流的現象，涉及到在施加電場時充電溶液中引起的體積運輸。
膜技術與微流體裝置的橋樑
膜科學和微流體學之間存在著密切的聯繫。以微流體設備為靈感，現今出現了許多新穎的電膜設備的設計，以便在超限電流範圍內進行水的淡化。這促進了技術應用的創新，並為解決水資源問題提供了新的思路。
要成功應對全球水資源挑戰，膜技術將如何進一步演變與創新？
