La polarización de concentración es un término utilizado en los campos científicos de la electroquímica y la ciencia de membranas .
En electroquímica , la polarización de concentración denota la parte de la polarización de una celda electrolítica resultante de los 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 cambio de la diferencia de potencial electroquímico a través de la celda con respecto a su valor de equilibrio. Cuando el término se utiliza en este sentido, es equivalente 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) son la diferencia en la velocidad de reacción electroquímica en el electrodo y la velocidad de migración de iones en la solución desde/hacia la superficie. Cuando una especie química que participa en una reacción electroquímica del electrodo es escasa, la concentración de esta especie en la superficie disminuye provocando difusión, que se suma al transporte de migración hacia la superficie para mantener el equilibrio de consumo y entrega de esa especie. [ vago ]
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 resultante 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 concentración es la capacidad de una membrana para transportar algunas especies más fácilmente que las otras (que es la permeselectividad de la membrana): las especies retenidas se concentran en la superficie de la membrana aguas arriba mientras que la concentración de especies transportadas disminuye. Por lo tanto, el fenómeno de polarización de concentración es inherente a todos los tipos de procesos de separación de membrana. En los casos de separaciones de gases , pervaporación , destilación de membrana , ósmosis inversa , nanofiltración , ultrafiltración y separaciones de 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 figuras 1a y 1b. La figura 1a muestra el perfil de concentración cerca y dentro de una membrana cuando se acaba de aplicar una fuerza impulsora externa a un sistema inicialmente en equilibrio. Los gradientes de concentración aún no se han formado. Si la membrana es selectivamente permeable a la especie 1, su flujo ( ) dentro de la membrana es mayor que el de la solución ( ). Un flujo mayor 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. Por lo tanto, 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 la electrodiálisis, cuando se vuelve mucho menor que la concentración en masa, 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 útil/velocidad de separación. En el caso de procesos impulsados por presión, este fenómeno causa un aumento del gradiente de presión osmótica en la membrana, lo que reduce el gradiente de presión impulsora neta. En el caso de la diálisis, el gradiente de concentración impulsora en la membrana se reduce. [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 velocidad de separación bajo la misma fuerza impulsora externa significa un mayor consumo de energía.
Además, la polarización de la concentración conduce a:
Por tanto, se deteriora la selectividad de la separación y la vida útil de la membrana.
Generalmente, para reducir la polarización de la concentración, se aplican mayores tasas 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 proximidad de un electrodo o una membrana donde las concentraciones son diferentes de su valor en la solución a granel. [7] En la electrodiálisis, se puede obtener una mezcla adicional de la solución aplicando un voltaje elevado donde se produce una convección inducida por corriente 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 aumentar la densidad de corriente varias veces más que la densidad de corriente límite. [11] La electroconvección se refiere a fenómenos electrocinéticos , que son importantes en dispositivos microfluídicos . De esta manera, existe un puente entre la ciencia de membranas y la micro/nanofluídica. [13] Se han transferido ideas fructíferas desde la microfluídica : se han propuesto concepciones novedosas de dispositivos de electromembrana para la desalinización de agua en un rango de corriente sobrelimitante. [14] [15]
