水は圧力下で膜を通過しますが、塩や有機物は通過できず、膜表面に捕捉されます。膜表面上の溶質の「蓄積」は、バルク水流よりもはるかに高い濃度を持っています。これが濃度分極です。この境界層の形成はシステムに包括的な影響を与えます。
逆浸透システムでは、膜表面の溶質濃度とバルク水流の濃度の比が濃度分極率として定義されます。エンジニアリングの実践では、通常は 1.2 未満に制御されます。ただし、供給チャネルが詰まったり、流量が減少したりすると、簡単に 1.4、さらには 1.5 まで上昇する可能性があります。これは、膜表面の塩濃度が、測定した濃縮液の塩濃度よりも 40% ～ 50% 高いことを意味します。
たとえば、典型的な汽水の場合、バルク濃縮塩濃度が 5000 mg/L の場合、膜表面の局所濃度は 7000 ～ 7500 mg/L に達する可能性があります。浸透圧は塩分に正比例します。塩分が 1000 mg/L 増加するごとに、浸透圧は約 0.07 MPa (0.7 bar) 増加します。
表面濃度が 2500 mg/L 増加すると、浸透圧がさらに 0.18 MPa (1.8 bar) 近く上昇します。 1.0 ～ 1.2 MPa で動作する汽水膜システムの場合、これは正味駆動圧力の 15% ～ 18% が濃度分極によって吸収されることを意味します。
透過水流量と脱塩速度の定量化:
膜メーカーの技術マニュアル (例として DuPont FilmTec シリーズを使用) によると、供給流量が 15% 減少し、1.2 から 1.4 に増加すると、システム透過流量は定圧モードで 12% ～ 18% 減少します。これは膜の汚れによるものではなく、むしろ有効な駆動力が相殺されることによるものです。
脱塩率に関しては、 が 0.1 増加するごとに、NaCl 透過率は約 20% ～ 30% 増加します。通常の汽水膜の脱塩率が99.5%の場合、透過水の導電率は約10～15μS/cmとなります。
濃度分極がひどい場合、透過水の導電率は 30-50 µS/cm まで上昇することがあります。混合床を備えた一段逆浸透システムの場合、これは混合床の再生サイクルが 72 時間から 24 時間未満に短縮され、酸とアルカリの消費量が 2 倍になることを意味する可能性があります。
規模のリスク:
炭酸カルシウムのランゲリル飽和指数 (LSI) は通常、(スケール防止剤を使用した場合) 1.8 未満になるように設計されています。濃度分極により膜表面の濃度が増加し、実際の LSI 値がバルク水流よりも 0.5 ～ 1.0 高くなります。
廃水再利用プロジェクトでは、バルク濃縮物 LSI は 1.6 でした。スケール防止剤の添加は設計によれば安全であるはずでしたが、動作中、末端膜エレメントにおける圧力差は 3 か月以内に 10 psi から 25 psi に増加しました。解剖により、膜表面上の炭酸カルシウムの結晶が明らかになり、測定された表面 LSI は 2.4 ～ 2.7 と高く、これは境界層濃度の蓄積の直接的な結果です。
硫酸塩スケールはさらに敏感です。硫酸カルシウムの溶解度積 (Ksp) は約 2.4 × 10-5 (25 度) です。濃度分極率が 1.4 の場合、表面イオン積は Ksp を容易に 1.2 ～ 1.5 倍超え、結晶の形成につながります。結晶が沈殿すると、化学洗浄には 6 ～ 8 時間以上の循環が必要になることが多く、1 回の洗浄で脱塩率が永久に 0.5 ～ 1% 低下する可能性があります。
動作パラメータの管理基準:
膜エレメント設計ガイドラインでは、最終濃縮液流量が中心的な制御指標となります。 8 インチの膜エレメントの場合、ユニットあたりの濃縮液流量は通常 3.6 m3/h 以上です。
流量が 3.0 m3/h を下回ると、膜表面せん断力が約 250 ～ 300 s-1 から約 150 s-1 に減少し、その結果、境界層の厚さが大幅に増加します。
実際の測定データは、この時点で値が通常の 1.15 ～ 1.2 から 1.35 以上に跳ね上がる可能性があり、システムの淡水化率は 1 ～ 2 週間以内に観察可能な減少を示すことを示しています。
回収率と濃度分極:
単段逆浸透システムの場合、回収率を 50% から 75% に高めると、最終的な膜エレメントの値が約 0.1～0.15 増加します。このため、システムは通常 2 つまたは 3 つの段階で設計され、各段階の回収率は 40% ～ 50% に制御されます。 1 つのステージの回復率を絞るのではなく、ステージを追加することで全体の回復率が向上します。
操業事故が多いのは、「もっと水を作りたい」という考えのもと、回収率を75％から80％に上げた結果、最終値が1.5を超えてしまい、1ヶ月以内に警報が鳴ってしまうためです。
