يتدفق الماء عبر الغشاء تحت الضغط، لكن الأملاح والمواد العضوية لا يمكنها المرور من خلاله وتبقى محاصرة على سطح الغشاء. يحتوي "تراكم" المذاب على سطح الغشاء على تركيز أعلى بكثير من تدفق الماء بالجملة؛ هذا هو استقطاب التركيز. تشكيل هذه الطبقة الحدودية له تأثير شامل على النظام.
في أنظمة التناضح العكسي، يتم تعريف نسبة تركيز المذاب على سطح الغشاء إلى التركيز في تدفق الماء بالجملة على أنها عامل استقطاب التركيز. في الممارسة الهندسية، يتم التحكم عادة بأقل من 1.2. ومع ذلك، بمجرد انسداد قناة التغذية أو انخفاض معدل التدفق، يمكن أن يرتفع بسهولة إلى 1.4 أو حتى 1.5. وهذا يعني أن تركيز الملح على سطح الغشاء أعلى بنسبة 40%-50% من تركيز الملح في التركيز الذي نقيسه.
على سبيل المثال، في المياه قليلة الملوحة النموذجية، عندما يكون تركيز الملح المركز 5000 ملجم/لتر، يمكن أن يصل التركيز المحلي على سطح الغشاء إلى 7000-7500 ملجم/لتر. يتناسب الضغط الأسموزي بشكل مباشر مع الملوحة – فكل زيادة قدرها 1000 ملغم/لتر في الملوحة، يزيد الضغط الأسموزي بحوالي 0.07 ميجا باسكال (0.7 بار).
تؤدي زيادة التركيز السطحي بمقدار 2500 ملجم/لتر إلى زيادة إضافية تبلغ حوالي 0.18 ميجا باسكال (1.8 بار) في الضغط الاسموزي. بالنسبة لأنظمة أغشية المياه قليلة الملوحة التي تعمل عند 1.0-1.2 ميجا باسكال، فهذا يعني أنه يتم امتصاص 15%-18% من صافي الضغط الدافع عن طريق استقطاب التركيز.
القياس الكمي لمعدل التدفق المتخلل ومعدل تحلية المياه:
وفقًا للكتيبات الفنية الخاصة بشركة تصنيع الأغشية (باستخدام سلسلة DuPont FilmTec كمثال)، مع انخفاض بنسبة 15% في معدل تدفق التغذية وزيادة من 1.2 إلى 1.4، سينخفض معدل التدفق المتخلل للنظام بنسبة 12%-18% في وضع الضغط الثابت. ولا يرجع ذلك إلى تلوث الأغشية، بل إلى القوة الدافعة الفعالة التي يتم تعويضها.
فيما يتعلق بمعدل تحلية المياه، لكل زيادة بمقدار 0.1 في، تزيد نفاذية كلوريد الصوديوم بحوالي 20% إلى 30%. عندما يكون معدل تحلية غشاء الماء المسوس العادي 99.5%، تكون الموصلية المتخللة حوالي 10-15 ميكرو سيميز/سم.
عندما يكون استقطاب التركيز شديدًا، يمكن أن ترتفع الموصلية المتخللة إلى 30-50 ميكرو سيميز/سم. بالنسبة لنظام التناضح العكسي أحادي المرحلة مع طبقة مختلطة، قد يعني هذا أن دورة تجديد الطبقة المختلطة يتم ضغطها من 72 ساعة إلى أقل من 24 ساعة، مما يؤدي إلى مضاعفة استهلاك الأحماض والقلويات.
مخاطر النطاق:
تم تصميم مؤشر تشبع لانجيريل (LSI) لكربونات الكالسيوم عادةً ليكون أقل من 1.8 (مع مثبطات الحجم). يزيد استقطاب التركيز من التركيز على سطح الغشاء، مما يؤدي إلى قيمة LSI الفعلية أعلى بمقدار 0.5-1.0 من تدفق المياه بالجملة.
في مشروع إعادة استخدام مياه الصرف الصحي، كان التركيز السائب LSI هو 1.6. يجب أن تكون إضافة مثبطات القشور آمنة وفقًا للتصميم، ولكن أثناء التشغيل، زاد فرق الضغط عند عنصر الغشاء الطرفي من 10 رطل لكل بوصة مربعة إلى 25 رطل لكل بوصة مربعة خلال ثلاثة أشهر. كشف التشريح عن بلورات كربونات الكالسيوم على سطح الغشاء، مع قياس LSI للسطح يصل إلى 2.4-2.7، كنتيجة مباشرة لتراكم تركيز الطبقة الحدودية.
مقياس الكبريتات أكثر حساسية. يبلغ منتج الذوبان (Ksp) لكبريتات الكالسيوم حوالي 2.4 × 10⁻⁵ (25 درجة). عندما يكون عامل استقطاب التركيز 1.4، يمكن أن يتجاوز منتج الأيون السطحي بسهولة Ksp بمقدار 1.2-1.5 مرة، مما يؤدي إلى تكوين البلورة. بمجرد ترسيب البلورات، غالبًا ما يتطلب التنظيف الكيميائي دورانًا لمدة 6-8 ساعات أو أكثر، وقد يؤدي التنظيف الواحد إلى تقليل معدل تحلية المياه بشكل دائم بنسبة 0.5%-1%.
معايير التحكم لمعلمات التشغيل:
في المبادئ التوجيهية لتصميم عنصر الغشاء، فإن معدل تدفق التركيز النهائي هو مؤشر التحكم الأساسي. بالنسبة للعناصر الغشائية مقاس 8 بوصة، لا يقل معدل تدفق التركيز لكل وحدة عادةً عن 3.6 متر مكعب/ساعة.
عندما ينخفض معدل التدفق إلى أقل من 3.0 متر مكعب/ساعة، تنخفض قوة قص سطح الغشاء من حوالي 250-300 ثانية⁻¹ إلى حوالي 150 ثانية⁻¹، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في سمك الطبقة الحدودية.
وتظهر بيانات القياس الفعلية أنه في هذه المرحلة، قد تقفز القيمة من المستوى الطبيعي 1.15-1.2 إلى أكثر من 1.35، وسيظهر معدل تحلية المياه في النظام انخفاضًا ملحوظًا خلال أسبوع إلى أسبوعين.
معدل الاسترداد واستقطاب التركيز:
بالنسبة لنظام التناضح العكسي -المرحلة الواحدة، تؤدي زيادة معدل الاسترداد من 50% إلى 75% إلى زيادة قيمة عنصر الغشاء النهائي بمقدار 0.1-0.15 تقريبًا. ولهذا السبب يتم تصميم الأنظمة عادةً بمرحلتين أو حتى ثلاث مراحل، مع التحكم في معدل الاسترداد لكل مرحلة بنسبة 40%-50%. يتم زيادة معدل الاسترداد الإجمالي بإضافة المزيد من المراحل، بدلاً من الضغط على معدل الاسترداد لمرحلة واحدة.
تحدث العديد من الحوادث التشغيلية لأنه في ظل فكرة "إنتاج المزيد من المياه" يتم زيادة معدل الاسترداد من 75% إلى 80%، مما يؤدي إلى تجاوز القيمة النهائية 1.5، مما يؤدي إلى رفع مستوى الإنذارات خلال شهر.