El agua fluye a través de la membrana bajo presión, pero las sales y la materia orgánica no pueden atravesarla y quedan atrapadas en la superficie de la membrana. La "acumulación" de soluto en la superficie de la membrana tiene una concentración mucho mayor que el flujo de agua en masa; esto es polarización de concentración. La formación de esta capa límite tiene un impacto integral en el sistema.
En los sistemas de ósmosis inversa, la relación entre la concentración del soluto en la superficie de la membrana y la concentración en el flujo de agua a granel se define como factor de polarización de la concentración. En la práctica de la ingeniería, normalmente se controla por debajo de 1,2. Sin embargo, una vez que el canal de alimentación se bloquea o el caudal disminuye, puede elevarse fácilmente a 1,4 o incluso 1,5. Esto significa que la concentración de sal en la superficie de la membrana es entre un 40% y un 50% mayor que la concentración de sal del concentrado que medimos.
Por ejemplo, con agua salobre típica, cuando la concentración de sal del concentrado a granel es de 5000 mg/L, la concentración local en la superficie de la membrana puede alcanzar 7000-7500 mg/L. La presión osmótica es directamente proporcional a la salinidad: por cada 1000 mg/L de aumento de salinidad, la presión osmótica aumenta aproximadamente 0,07 MPa (0,7 bar).
Un aumento de 2500 mg/L en la concentración superficial da como resultado casi 0,18 MPa (1,8 bar) adicionales de presión osmótica. Para sistemas de membranas de agua salobre que funcionan a 1,0-1,2 MPa, esto significa que entre el 15% y el 18% de la presión de conducción neta es absorbida por polarización de concentración.
Cuantificación del caudal de permeado y tasa de desalinización:
Según los manuales técnicos de los fabricantes de membranas (usando la serie DuPont FilmTec como ejemplo), con una disminución del 15 % en el caudal de alimentación y un aumento de 1,2 a 1,4, el caudal de permeado del sistema disminuirá entre un 12 % y un 18 % en el modo de presión constante. Esto no se debe a que la membrana se ensucie, sino a que se compensa la fuerza motriz efectiva.
En cuanto a la tasa de desalinización, por cada aumento de 0,1 en , la permeabilidad al NaCl aumenta aproximadamente entre un 20% y un 30%. Cuando la tasa de desalinización de una membrana de agua salobre normal es del 99,5%, la conductividad del permeado es de aproximadamente 10-15 µS/cm.
Cuando la polarización de la concentración es severa, la conductividad del permeado puede aumentar a 30-50 µS/cm. Para un sistema de ósmosis inversa de una sola etapa con lecho mixto, esto podría significar que el ciclo de regeneración del lecho mixto se comprime de 72 horas a menos de 24 horas, duplicando el consumo de ácido y álcali.
Riesgo de escala:
El índice de saturación Langerile (LSI) del carbonato de calcio generalmente está diseñado para estar por debajo de 1,8 (con inhibidores de incrustaciones). La polarización de concentración aumenta la concentración en la superficie de la membrana, lo que da como resultado un valor LSI real de 0,5 a 1,0 mayor que el flujo de agua a granel.
En un proyecto de reutilización de aguas residuales, el LSI del concentrado a granel fue de 1,6. Agregar inhibidores de incrustaciones debería haber sido seguro según el diseño, pero durante la operación, el diferencial de presión en el elemento de membrana terminal aumentó de 10 psi a 25 psi en tres meses. La disección reveló cristales de carbonato de calcio en la superficie de la membrana, con un LSI superficial medido de hasta 2,4-2,7, una consecuencia directa de la acumulación de concentración de la capa límite.
La incrustación de sulfato es aún más sensible. El producto de solubilidad (Ksp) del sulfato de calcio es aproximadamente 2,4 × 10⁻⁵ (25 grados). Cuando el factor de polarización de la concentración es 1,4, el producto iónico de la superficie puede exceder fácilmente Ksp entre 1,2 y 1,5 veces, lo que lleva a la formación de cristales. Una vez que los cristales precipitan, la limpieza química a menudo requiere circulación durante 6 a 8 horas o más, y una sola limpieza puede reducir permanentemente la tasa de desalinización entre un 0,5% y un 1%.
Estándares de control de parámetros operativos:
En las pautas de diseño de elementos de membrana, el caudal de concentrado final es el indicador de control central. Para elementos de membrana de 8 pulgadas, el caudal de concentrado por unidad normalmente no es inferior a 3,6 m³/h.
Cuando el caudal cae por debajo de 3,0 m³/h, la fuerza de corte de la superficie de la membrana disminuye de aproximadamente 250-300 s⁻¹ a alrededor de 150 s⁻¹, lo que resulta en un aumento significativo en el espesor de la capa límite.
Los datos de medición reales muestran que en este punto, el valor puede saltar del normal 1,15-1,2 a más de 1,35, y la tasa de desalinización del sistema mostrará una disminución observable dentro de 1 a 2 semanas.
Tasa de recuperación y polarización de concentración:
Para un sistema de ósmosis inversa de una sola-etapa, aumentar la tasa de recuperación del 50 % al 75 % aumenta el valor del elemento de membrana final en aproximadamente 0,1-0,15. Es por eso que los sistemas generalmente se diseñan con dos o incluso tres etapas, con la tasa de recuperación de cada etapa controlada entre un 40% y un 50%. La tasa de recuperación general aumenta al agregar más etapas, en lugar de reducir la tasa de recuperación de una sola etapa.
Muchos accidentes operativos se producen porque, bajo la idea de "producir más agua", se aumenta la tasa de recuperación del 75% al 80%, lo que hace que el valor final supere el 1,5, lo que genera alarmas de escala al cabo de un mes.