Woda przepływa przez membranę pod ciśnieniem, ale sole i materia organiczna nie mogą przez nią przedostać się i zostają uwięzione na powierzchni membrany. „Nagromadzenie” substancji rozpuszczonej na powierzchni membrany ma znacznie wyższe stężenie niż masowy przepływ wody; jest to polaryzacja koncentracji. Utworzenie tej warstwy granicznej ma kompleksowy wpływ na system.
W systemach odwróconej osmozy stosunek stężenia substancji rozpuszczonej na powierzchni membrany do stężenia w masowym przepływie wody definiuje się jako współczynnik polaryzacji stężenia. W praktyce inżynierskiej zwykle kontrolowana jest poniżej 1,2. Jednakże, gdy kanał zasilający zostanie zablokowany lub natężenie przepływu spadnie, może łatwo wzrosnąć do 1,4 lub nawet 1,5. Oznacza to, że stężenie soli na powierzchni membrany jest o 40%-50% wyższe niż stężenie soli w mierzonym przez nas koncentracie.
Na przykład w przypadku typowej wody słonawej, gdy stężenie soli w koncentracie w masie wynosi 5000 mg/L, lokalne stężenie na powierzchni membrany może osiągnąć 7000-7500 mg/L. Ciśnienie osmotyczne jest wprost proporcjonalne do zasolenia – na każde 1000 mg/L wzrostu zasolenia ciśnienie osmotyczne wzrasta o około 0,07 MPa (0,7 bar).
Wzrost stężenia powierzchniowego o 2500 mg/l powoduje dodatkowe zwiększenie ciśnienia osmotycznego o prawie 0,18 MPa (1,8 bara). W przypadku systemów membranowych na wodę słonawą pracujących przy ciśnieniu 1,0–1,2 MPa oznacza to, że 15–18% ciśnienia napędowego netto jest absorbowane przez polaryzację stężenia.
Kwantyfikacja natężenia przepływu permeatu i szybkości odsalania:
Według instrukcji technicznych producentów membran (na przykładzie serii DuPont FilmTec) przy 15% spadku natężenia przepływu surowca i wzroście z 1,2 do 1,4, natężenie przepływu permeatu w systemie zmniejszy się o 12% -18% w trybie stałego ciśnienia. Nie jest to spowodowane zanieczyszczeniem membrany, ale raczej przesunięciem efektywnej siły napędowej.
Jeśli chodzi o szybkość odsalania, na każde 0,1 wzrostu przepuszczalności NaCl wzrasta o około 20% -30%. Gdy stopień odsalania normalnej membrany do wody słonawej wynosi 99,5%, przewodność permeatu wynosi około 10-15 µS/cm.
Gdy polaryzacja stężenia jest silna, przewodność permeatu może wzrosnąć do 30-50 µS/cm. W przypadku jednostopniowego systemu odwróconej osmozy ze złożem mieszanym może to oznaczać skrócenie cyklu regeneracji złoża mieszanego z 72 godzin do mniej niż 24 godzin, podwajając zużycie kwasu i zasad.
Ryzyko skali:
Wskaźnik nasycenia Langerile'a (LSI) węglanu wapnia zwykle projektuje się na poziomie poniżej 1,8 (z inhibitorami kamienia). Polaryzacja stężenia zwiększa stężenie na powierzchni membrany, w wyniku czego rzeczywista wartość LSI jest o 0,5-1,0 wyższa niż masowy przepływ wody.
W projekcie ponownego wykorzystania ścieków stężenie LSI w koncentracie luzem wynosiło 1,6. Dodanie inhibitorów kamienia powinno być bezpieczne zgodnie z projektem, ale podczas pracy różnica ciśnień na końcowym elemencie membranowym wzrosła z 10 psi do 25 psi w ciągu trzech miesięcy. Sekcja ujawniła kryształy węglanu wapnia na powierzchni membrany, o zmierzonej powierzchni LSI sięgającej 2,4–2,7, co jest bezpośrednią konsekwencją wzrostu stężenia w warstwie granicznej.
Skala siarczanowa jest jeszcze bardziej wrażliwa. Produkt rozpuszczalności (Ksp) siarczanu wapnia wynosi około 2,4 × 10⁻⁵ (25 stopni). Gdy współczynnik polaryzacji stężenia wynosi 1,4, produkt jonów powierzchniowych może z łatwością przekroczyć Ksp 1,2-1,5 razy, co prowadzi do powstania kryształów. Po wytrąceniu się kryształów czyszczenie chemiczne często wymaga cyrkulacji przez 6–8 godzin lub dłużej, a pojedyncze czyszczenie może trwale zmniejszyć stopień odsalania o 0,5–1%.
Normy kontroli parametrów eksploatacyjnych:
W wytycznych dotyczących projektowania elementów membranowych głównym wskaźnikiem kontrolnym jest końcowe natężenie przepływu koncentratu. W przypadku 8-calowych elementów membranowych natężenie przepływu koncentratu na jednostkę wynosi zazwyczaj nie mniej niż 3,6 m3/h.
Gdy natężenie przepływu spadnie poniżej 3,0 m³/h, siła ścinająca powierzchni membrany maleje z około 250-300 s⁻¹ do około 150 s⁻¹, co powoduje znaczny wzrost grubości warstwy przyściennej.
Rzeczywiste dane pomiarowe pokazują, że w tym momencie wartość może wzrosnąć z normalnego 1,15-1,2 do ponad 1,35, a stopień odsalania instalacji będzie wykazywać zauważalny spadek w ciągu 1-2 tygodni.
Szybkość odzyskiwania i polaryzacja stężenia:
W przypadku jednostopniowego-systemu odwróconej osmozy zwiększenie stopnia odzysku z 50% do 75% zwiększa wartość końcowego elementu membrany o około 0,1–0,15. Z tego powodu systemy są zwykle projektowane z dwoma lub nawet trzema stopniami, a stopień odzysku każdego stopnia jest kontrolowany na poziomie 40–50%. Ogólny współczynnik odzysku zwiększa się poprzez dodanie większej liczby etapów, a nie poprzez zmniejszenie współczynnika odzysku pojedynczego etapu.
Do wielu wypadków eksploatacyjnych dochodzi dlatego, że w myśl idei „wyprodukowania większej ilości wody” stopień odzysku zostaje zwiększony z 75% do 80%, co daje końcową wartość przekraczającą 1,5, co prowadzi do narastania alarmów w ciągu miesiąca.