La polarización de concentración es un término utilizado en los campos científicos de la electroquímica y la ciencia de las membranas .
En electroquímica
En electroquímica , la polarización de concentración denota la parte de la polarización de una celda electrolítica resultante de cambios en la concentración de electrolito debido al paso de corriente a través de la interfaz electrodo / solución. [1] Aquí la polarización se entiende como el desplazamiento de la diferencia de potencial electroquímico a través de la celda desde su valor de equilibrio. Cuando el término se usa en este sentido, equivale a “ sobrepotencial de concentración ”. [2] [3] los cambios en la concentración (aparición de gradientes de concentración en la solución adyacente a la superficie del electrodo) es la diferencia en la tasa de reacción electroquímica en el electrodo y la tasa de migración de iones en la solución desde / hacia la superficie . Cuando una especie química que participa en una reacción de electrodo electroquímico es escasa, la concentración de esta especie en la superficie disminuye provocando la difusión, que se suma al transporte de migración hacia la superficie para mantener el equilibrio de consumo y entrega de esa especie. .
En ciencia y tecnología de membranas
En la ciencia y tecnología de membranas , la polarización de concentración se refiere a la aparición de gradientes de concentración en una interfaz membrana / solución como resultado de la transferencia selectiva de algunas especies a través de la membrana bajo el efecto de fuerzas impulsoras transmembrana. [4] Generalmente, la causa de la polarización de la concentración es la capacidad de una membrana para transportar algunas especies más fácilmente que las otras (que es la permselectividad de la membrana ): las especies retenidas se concentran en la superficie de la membrana aguas arriba mientras que la concentración de las especies transportadas disminuyen. Por tanto, el fenómeno de polarización por concentración es inherente a todo tipo de procesos de separación de membranas. En los casos de separaciones de gas , pervaporación , destilación por membrana , ósmosis inversa , nanofiltración , ultrafiltración y separaciones por microfiltración , el perfil de concentración tiene un nivel más alto de soluto más cercano a la superficie de la membrana aguas arriba en comparación con el fluido a granel más o menos bien mezclado lejos de la superficie de la membrana. En el caso de diálisis y electrodiálisis , las concentraciones de especies disueltas transportadas selectivamente se reducen en la superficie de la membrana aguas arriba en comparación con la solución a granel. La aparición de gradientes de concentración se ilustra en las Figs. 1a y 1b. La figura 1a muestra el perfil de concentración cerca y dentro de una membrana cuando se aplica una fuerza impulsora externa a un sistema inicialmente en equilibrio. Aún no se han formado gradientes de concentración. Si la membrana es selectivamente permeable a la especie 1, su flujo () dentro de la membrana es más alto que en la solución (). Un flujo más alto en la membrana provoca una disminución de la concentración en la superficie de la membrana aguas arriba () y un aumento en la superficie aguas abajo (), Figura 1b. Así, la solución aguas arriba se agota y la solución aguas abajo se enriquece con respecto a la especie 1. Los gradientes de concentración provocan flujos de difusión adicionales, que contribuyen a un aumento del flujo total en las soluciones y a una disminución del flujo en la membrana. Como resultado, el sistema alcanza un estado estable donde. Cuanto mayor sea la fuerza externa aplicada, menor. En electrodiálisis, cuandose vuelve mucho más baja que la concentración a granel, la resistencia de la solución agotada se vuelve bastante elevada. La densidad de corriente relacionada con este estado se conoce como densidad de corriente límite . [5]
La polarización de la concentración afecta fuertemente el desempeño del proceso de separación. Primero, los cambios de concentración en la solución reducen la fuerza impulsora dentro de la membrana, por lo tanto, el flujo / velocidad de separación útil. En el caso de procesos impulsados por presión, este fenómeno provoca un aumento del gradiente de presión osmótica en la membrana, lo que reduce el gradiente neto de presión impulsora. En el caso de la diálisis, se reduce el gradiente de concentración de conducción en la membrana. [6] En el caso de los procesos de electromembrana, la caída de potencial en las capas límite de difusión reduce el gradiente de potencial eléctrico en la membrana. Una menor tasa de separación bajo la misma fuerza impulsora externa significa un mayor consumo de energía.
Además, la polarización de la concentración conduce a:
- Mayor fuga de sal a través de la membrana.
- Mayor probabilidad de desarrollo de incrustaciones / incrustaciones
Por tanto, la selectividad de la separación y la vida útil de la membrana se deterioran.
Generalmente, para reducir la polarización de la concentración, se aplican mayores velocidades de flujo de las soluciones entre las membranas, así como espaciadores que promueven la turbulencia [5, 6]. Esta técnica da como resultado una mejor mezcla de la solución y una reducción del espesor de la capa límite de difusión, que se define como la región en la vecindad de un electrodo o una membrana donde las concentraciones son diferentes de su valor en la solución a granel. [7] En electrodiálisis, se puede obtener una mezcla adicional de la solución aplicando un voltaje elevado donde la convección inducida por corriente ocurre como convección gravitacional o electroconvección. La electroconvección se define [8] como el transporte de volumen inducido por corriente cuando se impone un campo eléctrico a través de la solución cargada. Se discuten varios mecanismos de electroconvección. [9] [10] [11] [12] En soluciones diluidas, la electroconvección permite incrementar la densidad de corriente varias veces mayor que la densidad de corriente límite. [11] La electroconvección se refiere a los fenómenos electrocinéticos , que son importantes en los dispositivos de microfluidos . Por lo tanto, existe un puente entre la ciencia de las membranas y los micro / nanofluidos. [13] Las ideas fructíferas se transfieren de la microfluídica : se han propuesto nuevas concepciones de dispositivos de electromembrana para la desalinización de agua en un rango de corriente demasiado limitado. [14] [15]
Referencias
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