L'acqua scorre attraverso la membrana sotto pressione, ma i sali e la materia organica non possono passare e rimangono intrappolati sulla superficie della membrana. L'"accumulo" di soluto sulla superficie della membrana ha una concentrazione molto più elevata rispetto alla massa del flusso d'acqua; questa è la polarizzazione della concentrazione. La formazione di questo strato limite ha un impatto globale sul sistema.
Nei sistemi ad osmosi inversa, il rapporto tra la concentrazione del soluto sulla superficie della membrana e la concentrazione nel flusso d'acqua è definito come fattore di polarizzazione della concentrazione. Nella pratica ingegneristica, di solito è controllato al di sotto di 1,2. Tuttavia, una volta che il canale di alimentazione è bloccato o la portata diminuisce, può facilmente salire a 1,4 o addirittura 1,5. Ciò significa che la concentrazione di sale sulla superficie della membrana è superiore del 40%-50% rispetto alla concentrazione di sale del concentrato che misuriamo.
Ad esempio, con la tipica acqua salmastra, quando la concentrazione di sale concentrato in massa è pari a 5.000 mg/l, la concentrazione locale sulla superficie della membrana può raggiungere 7.000-7.500 mg/l. La pressione osmotica è direttamente proporzionale alla salinità: per ogni aumento di 1000 mg/l di salinità, la pressione osmotica aumenta di circa 0,07 MPa (0,7 bar).
Un aumento di 2500 mg/L della concentrazione superficiale si traduce in un ulteriore aumento di quasi 0,18 MPa (1,8 bar) nella pressione osmotica. Per i sistemi a membrana di acqua salmastra che funzionano a 1,0-1,2 MPa, ciò significa che il 15%-18% della pressione di guida netta viene assorbita dalla polarizzazione della concentrazione.
Quantificazione della portata del permeato e della velocità di dissalazione:
Secondo i manuali tecnici dei produttori di membrane (utilizzando la serie DuPont FilmTec come esempio), con una diminuzione del 15% della portata di alimentazione e un aumento da 1,2 a 1,4, la portata del permeato del sistema diminuirà del 12%-18% in modalità a pressione costante. Ciò non è dovuto all'imbrattamento della membrana, ma piuttosto alla compensazione della forza motrice effettiva.
Per quanto riguarda il tasso di desalinizzazione, per ogni aumento di 0,1 di , la permeabilità di NaCl aumenta di circa il 20%-30%. Quando il tasso di desalinizzazione di una normale membrana di acqua salmastra è del 99,5%, la conduttività del permeato è di circa 10-15 µS/cm.
Quando la polarizzazione della concentrazione è grave, la conduttività del permeato può aumentare fino a 30-50 µS/cm. Per un sistema ad osmosi inversa monostadio con letto misto, ciò potrebbe significare che il ciclo di rigenerazione del letto misto viene compresso da 72 ore a meno di 24 ore, raddoppiando il consumo di acido e alcali.
Rischio di scala:
L'indice di saturazione di Langerile (LSI) del carbonato di calcio è generalmente progettato per essere inferiore a 1,8 (con inibitori di incrostazione). La polarizzazione della concentrazione aumenta la concentrazione sulla superficie della membrana, determinando un valore LSI effettivo superiore di 0,5-1,0 rispetto al flusso d'acqua in massa.
In un progetto di riutilizzo delle acque reflue, l'LSI del concentrato sfuso era 1,6. Secondo la progettazione, l'aggiunta di inibitori delle incrostazioni avrebbe dovuto essere sicura, ma durante il funzionamento, la differenza di pressione sull'elemento terminale della membrana è aumentata da 10 psi a 25 psi entro tre mesi. La dissezione ha rivelato cristalli di carbonato di calcio sulla superficie della membrana, con un LSI superficiale misurato pari a 2,4-2,7, una conseguenza diretta dell'accumulo di concentrazione dello strato limite.
La scala di solfato è ancora più sensibile. Il prodotto di solubilità (Ksp) del solfato di calcio è circa 2,4 × 10⁻⁵ (25 gradi). Quando il fattore di polarizzazione della concentrazione è 1,4, il prodotto ionico superficiale può facilmente superare Ksp di 1,2-1,5 volte, portando alla formazione di cristalli. Una volta che i cristalli precipitano, la pulizia chimica spesso richiede la circolazione per 6-8 ore o più e una singola pulizia può ridurre permanentemente il tasso di desalinizzazione dello 0,5%-1%.
Standard di controllo dei parametri operativi:
Nelle linee guida per la progettazione degli elementi della membrana, la portata del concentrato finale è l'indicatore di controllo principale. Per gli elementi a membrana da 8 pollici, la portata del concentrato per unità non è generalmente inferiore a 3,6 m³/h.
Quando la portata scende al di sotto di 3,0 m³/h, la forza di taglio della superficie della membrana diminuisce da circa 250-300 s⁻¹ a circa 150 s⁻¹, con conseguente aumento significativo dello spessore dello strato limite.
I dati di misurazione effettivi mostrano che a questo punto il valore potrebbe passare dal normale 1,15-1,2 a oltre 1,35 e il tasso di desalinizzazione del sistema mostrerà una diminuzione osservabile entro 1-2 settimane.
Tasso di recupero e polarizzazione della concentrazione:
Per un sistema a osmosi inversa a stadio singolo-, l'aumento del tasso di recupero dal 50% al 75% aumenta il valore dell'elemento finale della membrana di circa 0,1-0,15. Questo è il motivo per cui i sistemi sono solitamente progettati con due o anche tre fasi, con il tasso di recupero di ciascuna fase controllato al 40%-50%. Il tasso di recupero complessivo viene aumentato aggiungendo più fasi, anziché eliminando il tasso di recupero di una singola fase.
Molti incidenti operativi si verificano perché, con l’idea di “produrre più acqua”, il tasso di recupero viene aumentato dal 75% all’80%, portando il valore finale a superare 1,5, portando ad un aumento degli allarmi entro un mese.