Вода протекает через мембрану под давлением, но соли и органические вещества не могут пройти и задерживаются на поверхности мембраны. «Накопление» растворенных веществ на поверхности мембраны имеет гораздо более высокую концентрацию, чем объемный поток воды; это концентрационная поляризация. Формирование этого пограничного слоя оказывает комплексное воздействие на систему.
В системах обратного осмоса отношение концентрации растворенного вещества на поверхности мембраны к концентрации в объемном потоке воды определяется как коэффициент поляризации концентрации. В инженерной практике обычно контролируют ниже 1,2. Однако, как только канал подачи перекрывается или скорость потока снижается, она легко может взлететь до 1,4 или даже 1,5. Это означает, что концентрация соли на поверхности мембраны на 40–50 % выше концентрации соли в концентрате, который мы измеряем.
Например, для типичной солоноватой воды при объемной концентрации солей в концентрате 5000 мг/л локальная концентрация на поверхности мембраны может достигать 7000-7500 мг/л. Осмотическое давление прямо пропорционально солености: на каждые 1000 мг/л увеличения солености осмотическое давление увеличивается примерно на 0,07 МПа (0,7 бар).
Увеличение поверхностной концентрации на 2500 мг/л приводит к дополнительному увеличению осмотического давления почти на 0,18 МПа (1,8 бар). Для мембранных систем с солоноватой водой, работающих при давлении 1,0–1,2 МПа, это означает, что 15–18 % чистого рабочего давления поглощается за счет концентрационной поляризации.
Количественная оценка скорости потока пермеата и скорости опреснения:
Согласно техническим руководствам производителя мембран (на примере серии DuPont FilmTec), при уменьшении расхода сырья на 15% и увеличении с 1,2 до 1,4 расход пермеата системы снизится на 12%-18% в режиме постоянного давления. Это происходит не из-за загрязнения мембраны, а из-за компенсации эффективной движущей силы.
Что касается скорости опреснения, то на каждые 0,1 увеличения проницаемость NaCl увеличивается примерно на 20–30%. Когда скорость опреснения обычной мембраны для солоноватой воды составляет 99,5%, проводимость пермеата составляет примерно 10-15 мкСм/см.
При сильной концентрационной поляризации проводимость пермеата может возрасти до 30-50 мкСм/см. Для одноступенчатой системы обратного осмоса со смешанным слоем это может означать, что цикл регенерации смешанного слоя сокращается с 72 часов до менее 24 часов, что приводит к удвоению потребления кислоты и щелочи.
Масштабный риск:
Индекс насыщения Лангерила (LSI) карбоната кальция обычно составляет менее 1,8 (с ингибиторами отложений). Концентрационная поляризация увеличивает концентрацию на поверхности мембраны, в результате чего фактическое значение LSI на 0,5–1,0 выше, чем объемный поток воды.
В проекте повторного использования сточных вод LSI для массового концентрата составлял 1,6. Добавление ингибиторов отложений должно было быть безопасным согласно конструкции, но во время эксплуатации перепад давления на концевом мембранном элементе увеличился с 10 фунтов на квадратный дюйм до 25 фунтов на квадратный дюйм в течение трех месяцев. Вскрытие выявило кристаллы карбоната кальция на поверхности мембраны с измеренным поверхностным LSI до 2,4-2,7, что является прямым следствием накопления концентрации в пограничном слое.
Сульфатная шкала еще более чувствительна. Произведение растворимости (Ksp) сульфата кальция составляет примерно 2,4 × 10⁻⁵ (25 градусов). При концентрационном коэффициенте поляризации 1,4 поверхностное ионное произведение может легко превысить Ksp в 1,2-1,5 раза, что приводит к образованию кристаллов. После выпадения кристаллов химическая очистка часто требует циркуляции в течение 6–8 часов и более, а однократная очистка может навсегда снизить скорость опреснения на 0,5–1%.
Нормы контроля рабочих параметров:
В методических указаниях по проектированию мембранных элементов конечный расход концентрата является показателем контроля активной зоны. Для 8-дюймовых мембранных элементов расход концентрата на единицу обычно составляет не менее 3,6 м³/ч.
Когда скорость потока падает ниже 3,0 м³/ч, сила сдвига на поверхности мембраны уменьшается примерно с 250-300 с⁻¹ до примерно 150 с⁻¹, что приводит к значительному увеличению толщины пограничного слоя.
Фактические данные измерений показывают, что в этот момент значение может подскочить от нормального 1,15-1,2 до более 1,35, а скорость опреснения системы покажет заметное снижение в течение 1-2 недель.
Скорость восстановления и поляризация концентрации:
Для одноступенчатой-системы обратного осмоса увеличение степени восстановления с 50 % до 75 % увеличивает стоимость конечного мембранного элемента примерно на 0,1–0,15. Вот почему системы обычно проектируются с двумя или даже тремя ступенями, при этом степень восстановления каждой ступени контролируется на уровне 40–50%. Общая скорость восстановления увеличивается за счет добавления большего количества стадий, а не за счет уменьшения скорости восстановления одной стадии.
Многие эксплуатационные аварии происходят потому, что в соответствии с идеей «производства большего количества воды» степень восстановления увеличивается с 75% до 80%, в результате чего конечное значение превышает 1,5, что приводит к масштабированию сигналов тревоги в течение месяца.