Wasser fließt unter Druck durch die Membran, Salze und organische Stoffe können jedoch nicht passieren und bleiben auf der Membranoberfläche hängen. Die „Ansammlung“ gelöster Stoffe auf der Membranoberfläche hat eine viel höhere Konzentration als der Hauptwasserfluss; das ist Konzentrationspolarisierung. Die Bildung dieser Grenzschicht hat umfassende Auswirkungen auf das System.
In Umkehrosmosesystemen wird das Verhältnis der Konzentration gelöster Stoffe an der Membranoberfläche zur Konzentration im Hauptwasserstrom als Konzentrationspolarisationsfaktor definiert. In der technischen Praxis wird üblicherweise ein Wert unter 1,2 kontrolliert. Sobald jedoch der Zufuhrkanal verstopft ist oder die Durchflussrate abnimmt, kann er leicht auf 1,4 oder sogar 1,5 ansteigen. Das bedeutet, dass die Salzkonzentration an der Membranoberfläche 40–50 % höher ist als die Salzkonzentration des von uns gemessenen Konzentrats.
Wenn beispielsweise bei typischem Brackwasser die Salzkonzentration im Hauptkonzentrat 5.000 mg/l beträgt, kann die lokale Konzentration an der Membranoberfläche 7.000–7.500 mg/l erreichen. Der osmotische Druck ist direkt proportional zum Salzgehalt – mit jedem Anstieg des Salzgehalts um 1000 mg/L steigt der osmotische Druck um etwa 0,07 MPa (0,7 bar).
Eine Erhöhung der Oberflächenkonzentration um 2500 mg/L führt zu einem zusätzlichen osmotischen Druck von fast 0,18 MPa (1,8 bar). Für Brackwasser-Membransysteme, die bei 1,0–1,2 MPa betrieben werden, bedeutet dies, dass 15–18 % des Nettoantriebsdrucks durch Konzentrationspolarisierung absorbiert werden.
Quantifizierung des Permeatdurchflusses und der Entsalzungsrate:
Den technischen Handbüchern der Membranhersteller zufolge (am Beispiel der DuPont FilmTec-Serie) sinkt die Permeatdurchflussrate des Systems bei einer 15-prozentigen Verringerung der Zulaufdurchflussrate und einem Anstieg von 1,2 auf 1,4 im Konstantdruckmodus um 12 bis 18 %. Dies liegt nicht an einer Membranverschmutzung, sondern an der Aufhebung der wirksamen Antriebskraft.
Was die Entsalzungsrate betrifft, so erhöht sich die NaCl-Durchlässigkeit mit jedem Anstieg um 0,1 um etwa 20–30 %. Wenn die Entsalzungsrate einer normalen Brackwassermembran 99,5 % beträgt, beträgt die Permeatleitfähigkeit etwa 10–15 µS/cm.
Bei starker Konzentrationspolarisierung kann die Permeatleitfähigkeit auf 30-50 µS/cm ansteigen. Bei einer einstufigen Umkehrosmoseanlage mit Mischbett könnte dies bedeuten, dass der Mischbett-Regenerationszyklus von 72 Stunden auf weniger als 24 Stunden verkürzt wird, was den Säure- und Alkaliverbrauch verdoppelt.
Skalenrisiko:
Der Langerile-Sättigungsindex (LSI) von Calciumcarbonat ist typischerweise auf unter 1,8 ausgelegt (mit Kalkinhibitoren). Konzentrationspolarisierung erhöht die Konzentration an der Membranoberfläche, was zu einem tatsächlichen LSI-Wert führt, der 0,5–1,0 höher ist als der Volumenwasserfluss.
Bei einem Abwasserwiederverwendungsprojekt betrug der LSI des Massenkonzentrats 1,6. Das Hinzufügen von Ablagerungsinhibitoren hätte konstruktionsbedingt sicher sein sollen, doch während des Betriebs stieg der Druckunterschied am Endmembranelement innerhalb von drei Monaten von 10 psi auf 25 psi. Bei der Sektion wurden Kalziumkarbonatkristalle auf der Membranoberfläche entdeckt, mit einem gemessenen Oberflächen-LSI von 2,4–2,7, eine direkte Folge des Aufbaus der Grenzschichtkonzentration.
Sulfatablagerungen sind noch empfindlicher. Das Löslichkeitsprodukt (Ksp) von Calciumsulfat beträgt etwa 2,4 × 10⁻⁵ (25 Grad). Wenn der Konzentrationspolarisationsfaktor 1,4 beträgt, kann das Oberflächenionenprodukt Ksp leicht um das 1,2- bis 1,5-fache überschreiten, was zur Kristallbildung führt. Sobald Kristalle ausfallen, erfordert die chemische Reinigung oft eine Zirkulation für 6–8 Stunden oder länger, und eine einzige Reinigung kann die Entsalzungsrate dauerhaft um 0,5–1 % reduzieren.
Kontrollstandards für Betriebsparameter:
In den Designrichtlinien für Membranelemente ist die endgültige Konzentratdurchflussrate der zentrale Kontrollindikator. Bei 8-Zoll-Membranelementen beträgt die Konzentratdurchflussrate pro Einheit typischerweise nicht weniger als 3,6 m³/h.
Wenn die Durchflussrate unter 3,0 m³/h sinkt, sinkt die Scherkraft der Membranoberfläche von etwa 250-300 s⁻¹ auf etwa 150 s⁻¹, was zu einer deutlichen Zunahme der Grenzschichtdicke führt.
Tatsächliche Messdaten zeigen, dass der Wert zu diesem Zeitpunkt von den normalen 1,15-1,2 auf über 1,35 steigen kann und die Entsalzungsrate des Systems innerhalb von 1-2 Wochen einen erkennbaren Rückgang aufweisen wird.
Wiederherstellungsrate und Konzentrationspolarisation:
Bei einem einstufigen Umkehrosmosesystem erhöht die Erhöhung der Rückgewinnungsrate von 50 % auf 75 % den Wert des endgültigen Membranelements um etwa 0,1–0,15. Aus diesem Grund werden Systeme normalerweise mit zwei oder sogar drei Stufen konzipiert, wobei die Rückgewinnungsrate jeder Stufe auf 40–50 % geregelt wird. Die Gesamtwiederherstellungsrate wird durch das Hinzufügen weiterer Stufen erhöht, anstatt die Wiederherstellungsrate einer einzelnen Stufe zu verkleinern.
Viele Betriebsunfälle ereignen sich, weil unter dem Gedanken „mehr Wasser zu produzieren“ die Rückgewinnungsrate von 75 % auf 80 % erhöht wird, was dazu führt, dass der Endwert 1,5 übersteigt, was innerhalb eines Monats zu Kalkalarmen führt.