ปรากฏการณ์โพลาไรเซชันความเข้มข้นเป็นคำที่ใช้ในสาขาวิทยาศาสตร์ด้านเคมีไฟฟ้าและวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับเยื่อเมมเบรน

ในเคมีไฟฟ้าการโพลาไรเซชันความเข้มข้นหมายถึงส่วนหนึ่งของการโพลาไรเซชันของเซลล์อิเล็กโทรไลต์ที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์เนื่องจากการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านส่วนต่อประสานระหว่างอิเล็กโทรดกับสารละลาย^{[ 1 ]}ในที่นี้การโพลาไรเซชันเข้าใจได้ว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงของ ความต่าง ศักย์ไฟฟ้า เคมี ทั่วทั้งเซลล์จากค่าสมดุล เมื่อใช้คำนี้ในความหมายนี้ จะเทียบเท่ากับ “ ความต่าง ศักย์เกินความเข้มข้น ” ^{[ 2 ] [ 3 ]} การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้น (การเกิดความชันของความเข้มข้นในสารละลายที่อยู่ติดกับพื้นผิวอิเล็กโทรด) คือความแตกต่างระหว่างอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่อิเล็กโทรดและอัตราการเคลื่อนที่ของไอออนในสารละลายจาก/ไปยังพื้นผิว เมื่อสารเคมีที่เข้าร่วมในปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่อิเล็กโทรดมีปริมาณน้อย ความเข้มข้นของสารชนิดนี้ที่พื้นผิวจะลดลง ทำให้เกิดการแพร่กระจาย ซึ่งจะถูกเพิ่มเข้าไปในการขนส่งแบบเคลื่อนที่ไปยังพื้นผิวเพื่อรักษาสมดุลของการบริโภคและการส่งมอบของสารชนิดนั้น

ในวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเมมเบรนการเกิดโพลาไรเซชันของความเข้มข้นหมายถึงการเกิดการไล่ระดับความเข้มข้นที่ส่วนต่อประสานระหว่างเมมเบรนกับสารละลาย ซึ่งเป็นผลมาจากการถ่ายโอนสารบางชนิดผ่านเมมเบรนอย่างเลือกสรรภายใต้ผลของแรงขับเคลื่อนข้ามเมมเบรน^{[ 4 ]} โดยทั่วไป สาเหตุของการเกิดโพลาไรเซชันของความเข้มข้นคือความสามารถของเมมเบรนในการขนส่งสารบางชนิดได้ง่ายกว่าสารชนิดอื่น (ซึ่งก็คือความสามารถในการเลือกผ่านของเมมเบรน ) สารที่ถูกกักไว้จะมีความเข้มข้นที่พื้นผิวเมมเบรนด้านต้นน้ำ ในขณะที่ความเข้มข้นของสารที่ถูกขนส่งจะลดลง ดังนั้น ปรากฏการณ์โพลาไรเซชันของความเข้มข้นจึงเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นโดยธรรมชาติในกระบวนการแยกด้วยเมมเบรนทุกประเภท ในกรณีของการแยกก๊าซการระเหย ผ่านเม ม เบรน การกลั่นด้วยเมมเบรน รีเวิร์สออสโมซิส นาโนฟิลเตรชันอัลตราฟิลเตรชันและไมโครฟิลเตรชัน โปรไฟล์ความเข้มข้นจะมีระดับของสารละลายที่สูงกว่าบริเวณใกล้กับพื้นผิวเมมเบรนด้านต้นน้ำ เมื่อเทียบกับของเหลวส่วนใหญ่ที่ผสมกันได้ดีในบริเวณที่อยู่ห่างจากพื้นผิวเมมเบรน ในกรณีของการฟอกไตและการฟอกไตด้วยไฟฟ้าความเข้มข้นของสารละลายที่ถูกขนส่งอย่างเลือกสรรจะลดลงที่พื้นผิวเมมเบรนด้านต้นน้ำเมื่อเทียบกับสารละลายส่วนใหญ่ การเกิดการไล่ระดับความเข้มข้นแสดงไว้ในรูปที่ 1a และ 1b รูปที่ 1a แสดงโปรไฟล์ความเข้มข้นใกล้และภายในเมมเบรนเมื่อมีการใช้แรงขับภายนอกกับระบบที่อยู่ในสมดุลเริ่มต้น การไล่ระดับความเข้มข้นยังไม่เกิดขึ้น หากเมมเบรนสามารถซึมผ่านได้แบบเลือกสรรสำหรับสารชนิดที่ 1 ฟลักซ์ของเมมเบรน (${\displaystyle J_{1}^{m}}$) ภายในเยื่อหุ้มเซลล์จะสูงกว่าในสารละลาย (${\displaystyle J_{1}^{s}}$อัตราการไหลผ่านของสารในเยื่อหุ้มเซลล์ที่สูงขึ้นจะทำให้ความเข้มข้นที่ผิวเยื่อหุ้มเซลล์ด้านต้นน้ำลดลง (${\displaystyle c_{1}'}$) และมีการเพิ่มขึ้นที่พื้นผิวด้านล่าง (${\displaystyle c_{1}''}$), รูปที่ 1b ดังนั้น สารละลายต้นทางจึงลดปริมาณลง และสารละลายปลายทางจะเพิ่มปริมาณขึ้นในส่วนของสารชนิดที่ 1 ความแตกต่างของความเข้มข้นทำให้เกิดการแพร่แบบฟลักซ์เพิ่มเติม ซึ่งส่งผลให้ฟลักซ์รวมในสารละลายเพิ่มขึ้น และฟลักซ์ในเมมเบรนลดลง ส่งผลให้ระบบเข้าสู่สภาวะสมดุลที่${\displaystyle J_{1}^{s}=J_{1}^{m}}$ยิ่งแรงภายนอกที่กระทำมากเท่าไร ค่าก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น${\displaystyle c_{1}^{\prime }}$ในกระบวนการอิเล็กโทรไดอะลิซิส เมื่อ${\displaystyle c_{1}'}$เมื่อความเข้มข้นลดลงต่ำกว่าความเข้มข้นโดยรวมมาก ความต้านทานของสารละลายที่พร่องก็จะสูงขึ้นมาก ความหนาแน่นของกระแสที่เกี่ยวข้องกับสถานะนี้เรียกว่าความ หนาแน่น ^ของกระแสจำกัด [ ^{5 ]}

การเกิดโพลาไรเซชันของความเข้มข้นส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของกระบวนการแยกสารประการแรก การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นในสารละลายจะลดแรงขับเคลื่อนภายในเมมเบรน ดังนั้นจึงลดอัตราการไหล/อัตราการแยกสารที่มีประโยชน์ ในกรณีของกระบวนการที่ขับเคลื่อนด้วยแรงดัน ปรากฏการณ์นี้ทำให้ความแตกต่างของแรงดันออสโมติกในเมมเบรนเพิ่มขึ้น ซึ่งจะลดความแตกต่างของแรงดันขับเคลื่อนสุทธิ ในกรณีของการฟอกไต ความแตกต่างของความเข้มข้นที่ขับเคลื่อนในเมมเบรนจะลดลง^{[ 6 ]}ในกรณีของกระบวนการอิเล็กโทรเมมเบรน การลดลงของศักยภาพในชั้นขอบเขตการแพร่กระจายจะลดความแตกต่างของศักยภาพทางไฟฟ้าในเมมเบรน อัตราการแยกสารที่ต่ำลงภายใต้แรงขับเคลื่อนภายนอกเดียวกันหมายถึงการใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้น

นอกจากนี้ การเกิดโพลาไรเซชันความเข้มข้นยังนำไปสู่:

• การรั่วไหลของเกลือผ่านเยื่อหุ้มเซลล์เพิ่มมากขึ้น
• มีโอกาส เกิด ตะกรัน/คราบ สกปรกเพิ่มขึ้น

ดังนั้น ประสิทธิภาพในการแยกสารและอายุการใช้งานของเยื่อกรองจึงลดลง

โดยทั่วไป เพื่อลดการเกิดโพลาไรเซชันของความเข้มข้น จะมีการใช้อัตราการไหลของสารละลายที่เพิ่มขึ้นระหว่างเมมเบรน รวมถึงตัวเว้นระยะที่ส่งเสริมการเกิดความปั่นป่วน [5, 6] เทคนิคนี้ส่งผลให้สารละลายผสมกันได้ดีขึ้น และลดความหนาของชั้นขอบเขตการแพร่ ซึ่งถูกกำหนดให้เป็นบริเวณใกล้เคียงกับอิเล็กโทรดหรือเมมเบรนที่ความเข้มข้นแตกต่างจากค่าในสารละลายส่วนใหญ่^{[ 7 ]}ในอิเล็กโทรไดอะลิซิส การผสมสารละลายเพิ่มเติมอาจทำได้โดยการใช้แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น ซึ่งจะเกิดการพาความร้อนที่เกิดจากกระแสไฟฟ้า เช่น การพาความร้อนตามแรงโน้มถ่วงหรือการพาความร้อนด้วยไฟฟ้า การพาความร้อนด้วยไฟฟ้าถูกกำหนด^{[ 8 ]}ว่าเป็นการขนส่งปริมาตรที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าเมื่อสนามไฟฟ้าถูกส่งผ่านสารละลายที่มีประจุ มีการกล่าวถึงกลไกหลายอย่างของการพาความร้อนด้วยไฟฟ้า^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}ในสารละลายเจือจาง การพาความร้อนด้วยไฟฟ้าช่วยให้สามารถเพิ่มความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าได้หลายเท่าสูงกว่าความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่จำกัด^{[ 11 ]}การพาความร้อนด้วยไฟฟ้าหมายถึงปรากฏการณ์จลนไฟฟ้าซึ่งมีความสำคัญใน อุปกรณ์ ไมโครฟลูอิดิกดังนั้นจึงมีสะพานเชื่อมระหว่างวิทยาศาสตร์เมมเบรนและไมโคร/นาโนฟลูอิดิก^{[ 13 ]}แนวคิดที่ได้ผลดีถูกถ่ายทอดมาจากไมโครฟลูอิดิก : แนวคิดใหม่ของอุปกรณ์เมมเบรนไฟฟ้าสำหรับการแยกเกลือออกจากน้ำในช่วงกระแสไฟฟ้าเกินขีดจำกัดได้รับการเสนอ^{[ 14 ] [ 15 ]}