浓差极化

物理作业

浓差极化是指分离过程中，料液中的溶液在压力驱动下透过膜，溶质(离子或不同分子量溶质)被截留，在膜与本体溶液界面或临近膜界面区域浓度越来越高;在浓度梯度作用下，溶质又会由膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶剂透过通量下降。

简介

浓差极化是指分离过程中，料液中的溶液在压力驱动下透过膜，溶质(离子或不同分子量溶质)被截留，在膜与本体溶液界面或临近膜界面区域浓度越来越高；在浓度梯度作用下，溶质又会由膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶剂透过通量下降。

现象

① 膜分离过程中的一种现象，会降低透水率，是一个可逆过程。是指在超滤过程中，由于水透过膜而使膜表面的溶质浓度增加，在浓度梯度作用下，溶质与水以相反方向向本体溶液扩散，在达到平衡状态时，膜表面形成一溶质浓度分布边界层，它对水的透过起着阻碍作用。

② 电流通过电池或电解池时，如整个电极过程为电解质的扩散和对流等过程所控制，则在两极附近的电解质浓度与溶液本体就有差异，使阳极和阴极的电极电位与平衡电极电位发生偏离，这种现象称为“浓差极化”。

膜分离过程中的浓差极化

概念

浓差极化会使实际的产水通量和脱盐率低于理论估算值。浓差极化效应如下：

膜表面上的渗透压比本体溶液中高，从而降低NDP；

降低水通量（Qw）；

增加透盐量（Qs）；

增加难溶盐的浓度，超过其溶度积并结垢。浓差极化因子（β）被定义为膜表面盐浓度（Cs）与本体溶液盐浓度（Cb）的比值：

相关参数

那么哪些参数会影响浓差极化因子（β）呢？通常产水通量的增加会增加边界层的盐浓度，从而增加Cs；而给水流量的增加会增大膜表面流速，削减边界层的厚度。因此 β 值与产水流量（Qp）成正比，与平均进水流量（Qfavg）成反比：式中：Kp —— 比例常数，其值取决于反渗透系统的构成方式。平均进水流量采用进水量和浓缩液流量的算术平均值，β 值可以进一步表达为膜元件透过液回收率的函数：美国海德能公司推荐的一级反渗透系统浓差极化因子极限值为1.20，对于一支40英寸长的膜元件来说，大约相当于18 %的回收率。对于双级反渗透系统的第二级，由于其进水含盐量已经显著降低，因此其 β 值可以适当放宽到1.40，在某些情况下可以容忍到1.70。

电解过程中的浓差极化

浓差极化(concentration polarization)

因电解槽中电极界面层溶液离子浓度与本体溶液浓度不同而引起电极电位偏离平衡电位的现象。是电极极化的一种基本形式。

电解过程中溶液在电解槽内出现的这种浓度差异，是由于液相传质即，通过界面层溶液的扩散速度跟不上电解速度引起的。结果，当电极反应在一定电流密度下达到稳定后，阴极界面层溶液的浓度必低于本体溶液；而在阳极，例如可溶阳极，界面层溶液的浓度必高于本体溶液。根据能斯特(w．Nernst)电位方程，这两种情况都要导致电极电位偏离按本体溶液浓度计的平衡电位：阴极电势变小(向负方向移动)，阳极电势变大(向正方向移动)，即发生了电极的浓差极化。

浓差极化随电流密度增加而增大。浓差极化是大电流密度下产生的主要极化形式。浓差极化的大小用浓差超电位钕￡表示，阴极浓差超电位与电流密度i的关系为：

式中i极限为正离子一到达阴极表面便被立即还原，致使界面层溶液中该离子浓度趋于零的电流密度，称极限电流密度。极限电流密度由实验确定，它相当于阴极极化曲线出现水平段时的电流密度。极限电流密度越大，容许的电流密度上限越大，对电解和电镀越有利。提高电解质溶液的浓度、搅拌和加热溶液，都能提高极限电流密度。

浓差极化对金属电解、电镀没有任何好处，它使槽电压升高，电耗增大，并使阴极沉积或镀层质量恶化，甚至造成氢的析出和杂质金属离子的放电。浓差极化可以通过搅拌、加热溶液或移动电极而消除至一定限度，但由于电极表面扩散层的存在而不能完全避免。

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