Вода протікає крізь мембрану під тиском, але солі та органічні речовини не можуть пройти крізь неї і затримуються на поверхні мембрани. «Накопичення» розчиненої речовини на поверхні мембрани має набагато вищу концентрацію, ніж об’ємний потік води; це концентраційна поляризація. Формування цього прикордонного шару має комплексний вплив на систему.
У системах зворотного осмосу відношення концентрації розчиненої речовини на поверхні мембрани до концентрації в об’ємному потоці води визначається як коефіцієнт поляризації концентрації. В інженерній практиці зазвичай контролюється нижче 1,2. Однак, як тільки канал подачі блокується або швидкість потоку зменшується, він може легко злетіти до 1,4 або навіть 1,5. Це означає, що концентрація солі на поверхні мембрани на 40%-50% вища, ніж концентрація солі в концентраті, який ми вимірюємо.
Наприклад, у типовій солонуватій воді, коли концентрація солі в масовому концентраті становить 5000 мг/л, локальна концентрація на поверхні мембрани може досягати 7000-7500 мг/л. Осмотичний тиск прямо пропорційний солоності – на кожні 1000 мг/л підвищення солоності осмотичний тиск збільшується приблизно на 0,07 МПа (0,7 бар).
Збільшення концентрації на поверхні на 2500 мг/л призводить до додаткового осмотичного тиску майже на 0,18 МПа (1,8 бар). Для мембранних систем із солонуватою водою, що працюють при тиску 1,0–1,2 МПа, це означає, що 15–18 % чистого рушійного тиску поглинається концентраційною поляризацією.
Кількісна оцінка швидкості потоку пермеату та швидкості опріснення:
Згідно з технічними інструкціями виробника мембран (на прикладі серії DuPont FilmTec), при зменшенні швидкості потоку живлення на 15% і збільшенні з 1,2 до 1,4 швидкість потоку пермеату в системі зменшиться на 12%-18% у режимі постійного тиску. Це відбувається не через засмічення мембрани, а скоріше через компенсацію ефективної рушійної сили.
Що стосується швидкості опріснення, то на кожні 0,1 збільшення проникність NaCl збільшується приблизно на 20%-30%. Коли швидкість опріснення звичайної солонуватої водної мембрани становить 99,5%, провідність пермеату становить приблизно 10-15 мкСм/см.
Коли концентраційна поляризація сильна, провідність пермеату може зрости до 30-50 мкСм/см. Для одноступеневої системи зворотного осмосу зі змішаним шаром це може означати, що цикл регенерації змішаного шару скорочується з 72 годин до менш ніж 24 годин, подвоюючи споживання кислоти та лугу.
Масштабний ризик:
Індекс насичення Ланжеріла (LSI) карбонату кальцію зазвичай становить менше 1,8 (з інгібіторами накипу). Поляризація концентрації збільшує концентрацію на поверхні мембрани, що призводить до фактичного значення LSI на 0,5-1,0 вище, ніж об’ємний потік води.
У проекті повторного використання стічних вод LSI масового концентрату становив 1,6. Додавання інгібіторів накипу мало бути безпечним згідно з проектом, але під час роботи перепад тиску на кінцевому мембранному елементі збільшився з 10 psi до 25 psi протягом трьох місяців. Розтин виявив кристали карбонату кальцію на поверхні мембрани з виміряним поверхневим LSI до 2,4-2,7, що є прямим наслідком накопичення концентрації прикордонного шару.
Сульфатний наліт ще більш чутливий. Добуток розчинності (Ksp) сульфату кальцію становить приблизно 2,4 × 10⁻⁵ (25 градусів). Коли коефіцієнт поляризації концентрації становить 1,4, продукт поверхневих іонів може легко перевищити Ksp у 1,2-1,5 рази, що призводить до утворення кристалів. Коли кристали випадають в осад, хімічне очищення часто вимагає циркуляції протягом 6-8 годин або більше, і одноразове очищення може остаточно знизити швидкість опріснення на 0,5%-1%.
Стандарти контролю робочих параметрів:
У рекомендаціях щодо проектування мембранних елементів кінцева швидкість потоку концентрату є основним контрольним показником. Для 8-дюймових мембранних елементів витрата концентрату на одиницю зазвичай становить не менше 3,6 м³/год.
Коли швидкість потоку падає нижче 3,0 м³/год, сила зсуву поверхні мембрани зменшується з приблизно 250-300 с⁻¹ до приблизно 150 с⁻¹, що призводить до значного збільшення товщини граничного шару.
Фактичні дані вимірювань показують, що в цей момент значення може підскочити від нормальних 1,15-1,2 до понад 1,35, а швидкість опріснення системи покаже помітне зниження протягом 1-2 тижнів.
Швидкість відновлення та поляризація концентрації:
Для одно-ступеневої системи зворотного осмосу збільшення рівня відновлення з 50% до 75% збільшує значення кінцевого мембранного елемента приблизно на 0,1-0,15. Ось чому системи зазвичай розробляються з двома або навіть трьома ступенями, причому швидкість відновлення кожного ступеня контролюється на рівні 40%-50%. Загальна швидкість відновлення збільшується шляхом додавання кількох ступенів, а не шляхом витіснення швидкості відновлення однієї стадії.
Багато операційних аварій відбуваються через те, що згідно з ідеєю «виробництва більше води», швидкість відновлення збільшується з 75% до 80%, в результаті чого кінцеве значення перевищує 1,5, що призводить до масштабування сигналів тривоги протягом місяця.