濃度分極

濃度分極は、電気化学や膜科学の科学分野で使用される用語です。

電気化学において、濃度分極とは、電極/溶液界面を電流が通過することによって電解質濃度が変化することによって生じる電解セルの分極の一部を指します。 ^[1]ここで、分極とは、セル全体の電気化学電位差が平衡値からシフトすることと理解されます。この意味で使用される場合、用語は「濃度過電位」と同等です。 ^{[2] [3]} 濃度の変化（電極表面に隣接する溶液の濃度勾配の出現）は、電極での電気化学反応の速度と、表面から/への溶液内のイオン移動速度の差です。電気化学電極反応に関与する化学種が不足すると、表面でのこの化学種の濃度が低下して拡散が発生し、その化学種の消費と供給のバランスを維持するために、表面への移動輸送に追加されます。^[曖昧]

膜科学技術において、濃度分極とは、膜を貫通する駆動力の影響下で一部の種が膜を介して選択的に移動することによって生じる、膜/溶液界面における濃度勾配の出現を指します。^[4] 一般的に、濃度分極の原因は、一部の種を他の種よりも容易に輸送する膜の能力（膜選択透過性）です。保持された種は上流の膜表面で濃縮され、輸送された種の濃度は減少します。したがって、濃度分極現象は、すべてのタイプの膜分離プロセスに固有のものです。ガス分離、浸透気化、膜蒸留、逆浸透、ナノ濾過、限外濾過、および精密濾過分離の場合、濃度プロファイルは、膜表面から遠く離れた多かれ少なかれよく混合されたバルク流体と比較して、上流の膜表面に最も近い溶質のレベルが高くなります。透析および電気透析の場合、選択的に輸送される溶解種の濃度は、バルク溶液と比較して上流の膜表面で低下します。濃度勾配の発生は、図 1a と 1b に示されています。図 1a は、初期平衡システムに外部駆動力が適用されたときの、膜付近と膜内の濃度プロファイルを示しています。濃度勾配はまだ形成されていません。膜が種 1 に対して選択的に透過性である場合、膜内の種 1 のフラックス ( ) は溶液内のフラックス ( ) よりも高くなります。膜内のフラックスが高くなると、上流の膜表面 ( ) の濃度が低下し、下流の表面 ( ) の濃度が増加します (図 1b)。したがって、種 1 に関しては、上流の溶液は枯渇し、下流の溶液は豊富になります。濃度勾配によって追加の拡散フラックスが発生し、溶液内の総フラックスが増加し、膜内のフラックスが減少します。その結果、システムは の定常状態に到達します。適用される外力が大きいほど、 は低くなります。電気透析では、 がバルク濃度よりもはるかに低くなると、枯渇した溶液の抵抗が非常に高くなります。この状態に関連する電流密度は限界電流密度として知られています。^[5]${\displaystyle J_{1}^{m}}$${\displaystyle J_{1}^{s}}$${\displaystyle c_{1}'}$${\displaystyle c_{1}''}$${\displaystyle J_{1}^{s}=J_{1}^{m}}$${\displaystyle c_{1}^{\prime}}$${\displaystyle c_{1}'}$

濃度分極は分離プロセスの性能に大きく影響します。まず、溶液の濃度変化により膜内の駆動力が低下し、分離の有効流束/速度が低下します。圧力駆動プロセスの場合、この現象により膜内の浸透圧勾配が増加し、正味の駆動圧力勾配が減少します。透析の場合、膜内の駆動濃度勾配が減少します。^[6]電気膜プロセスの場合、拡散境界層の電位降下により膜内の電位勾配が減少します。同じ外部駆動力で分離速度が低下すると、消費電力が増加します。

さらに、集中度の二極化は次のような結果をもたらします。

• 膜を通した塩の漏出の増加
• スケール/汚れの発生確率が増加

そのため、分離の選択性と膜の寿命が低下します。

一般的に、濃度分極を減らすために、膜間の溶液の流量を増やし、乱流を促進するスペーサーが適用されます [5, 6]。 この技術により、溶液の混合が改善され、拡散境界層の厚さが減少します。拡散境界層は、電極または膜の近くの領域で、濃度がバルク溶液の値と異なる領域として定義されます。^[7]電気透析では、電圧を高くすることで溶液の混合がさらに進み、電流誘起対流が重力対流または電気対流として発生します。電気対流は、帯電した溶液に電場をかけた際の電流誘起体積輸送として定義されます^{[8] 。電気対流のいくつかのメカニズムが説明されています。 [9] [10] [11] [12]}希薄溶液では、電気対流により電流密度を限界電流密度の数倍に増加させることができます。^{[11]電気対流は、}マイクロ流体デバイスで重要な電気運動現象を指します。このように、膜科学とマイクロ/ナノ流体工学の間には橋が架けられています。^[13]マイクロ流体工学からは有益なアイデアがもたらされ、過電流領域での水の淡水化のための電気膜デバイスの新しい概念が提案されました。^{[14] [15]}