Voda protéká membránou pod tlakem, ale soli a organické látky nemohou projít a zachycují se na povrchu membrány. "Akumulace" rozpuštěné látky na povrchu membrány má mnohem vyšší koncentraci než objemový proud vody; to je koncentrační polarizace. Vznik této mezní vrstvy má komplexní dopad na systém.
V systémech reverzní osmózy je poměr koncentrace rozpuštěné látky na povrchu membrány ke koncentraci v celkovém proudu vody definován jako koncentrační polarizační faktor. V inženýrské praxi se obvykle kontroluje pod 1,2. Jakmile je však přívodní kanál zablokován nebo se průtok sníží, může snadno stoupnout na 1,4 nebo dokonce 1,5. To znamená, že koncentrace soli na povrchu membrány je o 40%-50% vyšší než koncentrace soli v koncentrátu, který měříme.
Například u typické poloslané vody, kdy je koncentrace soli v koncentrovaném roztoku 5000 mg/l, může místní koncentrace na povrchu membrány dosáhnout 7000-7500 mg/l. Osmotický tlak je přímo úměrný slanosti – s každým zvýšením slanosti o 1000 mg/l se osmotický tlak zvýší přibližně o 0,07 MPa (0,7 bar).
Nárůst povrchové koncentrace o 2500 mg/l má za následek dalších téměř 0,18 MPa (1,8 bar) v osmotickém tlaku. Pro membránové systémy brakické vody pracující při 1,0-1,2 MPa to znamená, že 15%-18% čistého hnacího tlaku je absorbováno koncentrační polarizací.
Kvantifikace průtoku permeátu a rychlosti odsolování:
Podle technických příruček výrobce membrán (jako příklad používáme řadu DuPont FilmTec) s 15% snížením průtoku přívodu a zvýšením z 1,2 na 1,4 se průtok systému permeátu sníží o 12 % až 18 % v režimu konstantního tlaku. To není způsobeno znečištěním membrány, ale spíše kompenzací efektivní hnací síly.
Pokud jde o rychlost odsolování, na každé zvýšení o 0,1 % vzroste propustnost NaCl přibližně o 20 % až 30 %. Když je míra odsolování normální membrány brakické vody 99,5 %, vodivost permeátu je přibližně 10-15 µS/cm.
Když je polarizace koncentrací silná, vodivost permeátu může vzrůst až na 30-50 µS/cm. U jednostupňového systému reverzní osmózy se smíšeným ložem by to mohlo znamenat, že regenerační cyklus se smíšeným ložem se zkrátí ze 72 hodin na méně než 24 hodin, čímž se zdvojnásobí spotřeba kyseliny a zásady.
Mírové riziko:
Langerileho index saturace (LSI) uhličitanu vápenatého je typicky navržen tak, aby byl pod 1,8 (s inhibitory vodního kamene). Koncentrační polarizace zvyšuje koncentraci na povrchu membrány, což má za následek skutečnou hodnotu LSI o 0,5-1,0 vyšší než objemový průtok vody.
V projektu opětovného použití odpadních vod byl objemový koncentrát LSI 1,6. Přidání inhibitorů vodního kamene by mělo být bezpečné podle návrhu, ale během provozu se tlakový rozdíl na koncovém membránovém prvku zvýšil z 10 psi na 25 psi během tří měsíců. Pitva odhalila krystaly uhličitanu vápenatého na povrchu membrány s naměřeným povrchem LSI až 2,4-2,7, což je přímý důsledek nárůstu koncentrace mezní vrstvy.
Sulfátová stupnice je ještě citlivější. Produkt rozpustnosti (Ksp) síranu vápenatého je přibližně 2,4 x 10-5 (25 stupňů). Když je koncentrační polarizační faktor 1,4, může povrchový iontový produkt snadno překročit Ksp 1,2-1,5krát, což vede k tvorbě krystalů. Jakmile se krystaly vysrážejí, chemické čištění často vyžaduje cirkulaci po dobu 6-8 hodin nebo déle a jediné čištění může trvale snížit míru odsolování o 0,5 %-1 %.
Kontrolní standardy pro provozní parametry:
V pokynech pro konstrukci membránových prvků je konečný průtok koncentrátu ukazatelem kontroly jádra. U 8palcových membránových prvků není průtok koncentrátu na jednotku typicky menší než 3,6 m³/h.
Když průtok klesne pod 3,0 m³/h, povrchová smyková síla membrány se sníží z přibližně 250-300 s⁻¹ na přibližně 150 s⁻¹, což má za následek výrazné zvýšení tloušťky mezní vrstvy.
Aktuální naměřená data ukazují, že v tomto okamžiku může hodnota vyskočit z normálních 1,15-1,2 na více než 1,35 a rychlost odsolování systému bude vykazovat pozorovatelný pokles během 1-2 týdnů.
Rychlost zotavení a polarizace koncentrace:
U jednostupňového{0}}systému reverzní osmózy se zvýšením míry obnovy z 50 % na 75 % zvýší hodnota konečného membránového prvku přibližně o 0,1–0,15. To je důvod, proč jsou systémy obvykle navrženy se dvěma nebo dokonce třemi stupni, přičemž rychlost obnovy každého stupně je řízena na 40 % až 50 %. Celková míra obnovy se zvýší přidáním více stupňů, spíše než vytlačením rychlosti obnovy jednoho stupně.
K mnoha provozním nehodám dochází proto, že pod myšlenkou „produkovat více vody“ se míra obnovy zvýší ze 75 % na 80 %, což má za následek konečnou hodnotu přesahující 1,5, což vede k nárůstu alarmů během jednoho měsíce.
