Water stroomt onder druk door het membraan, maar zouten en organisch materiaal kunnen er niet doorheen en worden opgesloten op het membraanoppervlak. De "ophoping" van opgeloste stoffen op het membraanoppervlak heeft een veel hogere concentratie dan de bulkwaterstroom; dit is concentratiepolarisatie. De vorming van deze grenslaag heeft een uitgebreide impact op het systeem.
In omgekeerde osmosesystemen wordt de verhouding tussen de concentratie opgeloste stoffen op het membraanoppervlak en de concentratie in de bulkwaterstroom gedefinieerd als de concentratiepolarisatiefactor. In de technische praktijk wordt meestal onder de 1,2 gecontroleerd. Zodra het toevoerkanaal echter geblokkeerd is of het debiet afneemt, kan dit gemakkelijk oplopen tot 1,4 of zelfs 1,5. Dit betekent dat de zoutconcentratie aan het membraanoppervlak 40%-50% hoger is dan de zoutconcentratie van het concentraat dat we meten.
Wanneer bijvoorbeeld bij typisch brak water de zoutconcentratie in het bulkconcentraat 5000 mg/l bedraagt, kan de lokale concentratie aan het membraanoppervlak 7000-7500 mg/l bereiken. De osmotische druk is recht evenredig met het zoutgehalte: voor elke toename van het zoutgehalte met 1000 mg/l neemt de osmotische druk toe met ongeveer 0,07 MPa (0,7 bar).
Een toename van de oppervlakteconcentratie met 2500 mg/l resulteert in een extra osmotische druk van bijna 0,18 MPa (1,8 bar). Voor brakwatermembraansystemen die werken bij 1,0-1,2 MPa betekent dit dat 15%-18% van de netto aandrijfdruk wordt geabsorbeerd door concentratiepolarisatie.
Kwantificering van het permeaatdebiet en het ontziltingspercentage:
Volgens de technische handleidingen van de membraanfabrikant (met de DuPont FilmTec-serie als voorbeeld) zal bij een afname van het voedingsdebiet van 15% en een toename van 1,2 naar 1,4 het permeaatdebiet van het systeem afnemen met 12%-18% bij constante druk. Dit komt niet door membraanvervuiling, maar doordat de effectieve drijvende kracht wordt gecompenseerd.
Wat de ontziltingssnelheid betreft, neemt voor elke toename van 0,1 de NaCl-permeabiliteit toe met ongeveer 20%-30%. Wanneer de ontziltingssnelheid van een normaal brakwatermembraan 99,5% bedraagt, bedraagt de geleidbaarheid van het permeaat ongeveer 10-15 µS/cm.
Wanneer de concentratiepolarisatie ernstig is, kan de geleidbaarheid van het permeaat oplopen tot 30-50 µS/cm. Voor een eentraps omgekeerde osmosesysteem met een gemengd bed zou dit kunnen betekenen dat de regeneratiecyclus van het gemengd bed wordt verkort van 72 uur naar minder dan 24 uur, waardoor het zuur- en alkaliverbruik wordt verdubbeld.
Schaalrisico:
De Langerile Saturatie Index (LSI) van calciumcarbonaat is doorgaans lager dan 1,8 (met kalkremmers). Concentratiepolarisatie verhoogt de concentratie aan het membraanoppervlak, wat resulteert in een werkelijke LSI-waarde die 0,5-1,0 hoger is dan de bulkwaterstroom.
In een project voor hergebruik van afvalwater was de LSI van het bulkconcentraat 1,6. Het toevoegen van kalkremmers had volgens het ontwerp veilig moeten zijn, maar tijdens bedrijf nam het drukverschil bij het terminale membraanelement binnen drie maanden toe van 10 psi naar 25 psi. Dissectie onthulde calciumcarbonaatkristallen op het membraanoppervlak, met een gemeten oppervlakte-LSI zo hoog als 2,4-2,7, een direct gevolg van de opbouw van de grenslaagconcentratie.
Sulfaataanslag is nog gevoeliger. Het oplosbaarheidsproduct (Ksp) van calciumsulfaat is ongeveer 2,4 x 10⁻⁵ (25 graden). Wanneer de concentratiepolarisatiefactor 1,4 is, kan het oppervlakte-ionproduct Ksp gemakkelijk 1,2-1,5 keer overschrijden, wat leidt tot kristalvorming. Zodra kristallen neerslaan, vereist chemische reiniging vaak 6-8 uur of langer circulatie, en een enkele reiniging kan de ontziltingssnelheid permanent met 0,5% -1% verminderen.
Controlenormen voor bedrijfsparameters:
In de ontwerprichtlijnen voor membraanelementen is het uiteindelijke concentraatdebiet de belangrijkste controle-indicator. Voor 8-inch membraanelementen bedraagt het concentraatdebiet per eenheid doorgaans niet minder dan 3,6 m³/u.
Wanneer de stroomsnelheid onder de 3,0 m³/u daalt, neemt de schuifkracht van het membraanoppervlak af van ongeveer 250-300 s⁻¹ tot ongeveer 150 s⁻¹, wat resulteert in een aanzienlijke toename van de dikte van de grenslaag.
Uit feitelijke meetgegevens blijkt dat de waarde op dit punt kan stijgen van de normale 1,15-1,2 naar meer dan 1,35, en dat de ontziltingssnelheid van het systeem binnen 1-2 weken een waarneembare daling zal vertonen.
Herstelpercentage en concentratiepolarisatie:
Voor een eenstaps-omgekeerde-osmosesysteem verhoogt het verhogen van het herstelpercentage van 50% naar 75% de waarde van het uiteindelijke membraanelement met ongeveer 0,1-0,15. Dit is de reden waarom systemen meestal worden ontworpen met twee of zelfs drie fasen, waarbij het herstelpercentage van elke fase wordt gecontroleerd op 40% -50%. Het algehele herstelpercentage wordt verhoogd door meer fasen toe te voegen, in plaats van door het herstelpercentage van één enkele fase eruit te persen.
Veel operationele ongelukken gebeuren omdat, onder het idee van ‘meer water produceren’, het herstelpercentage wordt verhoogd van 75% naar 80%, waardoor de uiteindelijke waarde hoger wordt dan 1,5, wat binnen een maand tot opschaling van alarmen leidt.