L'eau traverse la membrane sous pression, mais les sels et les matières organiques ne peuvent pas la traverser et sont piégés à la surface de la membrane. L'« accumulation » de soluté à la surface de la membrane a une concentration beaucoup plus élevée que le débit d'eau en vrac ; c'est la polarisation de concentration. La formation de cette couche limite a un impact global sur le système.
Dans les systèmes d'osmose inverse, le rapport entre la concentration de soluté à la surface de la membrane et la concentration dans le débit d'eau en vrac est défini comme le facteur de polarisation de la concentration. Dans la pratique de l'ingénierie, est généralement contrôlé en dessous de 1,2. Cependant, une fois que le canal d'alimentation est bloqué ou que le débit diminue, il peut facilement monter jusqu'à 1,4 voire 1,5. Cela signifie que la concentration en sel à la surface de la membrane est de 40 à 50 % supérieure à la concentration en sel du concentré que nous mesurons.
Par exemple, avec une eau saumâtre typique, lorsque la concentration globale de sel concentré est de 5 000 mg/L, la concentration locale à la surface de la membrane peut atteindre 7 000 à 7 500 mg/L. La pression osmotique est directement proportionnelle à la salinité : pour chaque augmentation de 1 000 mg/L de salinité, la pression osmotique augmente d'environ 0,07 MPa (0,7 bar).
Une augmentation de 2 500 mg/L de la concentration superficielle entraîne une pression osmotique supplémentaire de près de 0,18 MPa (1,8 bar). Pour les systèmes à membrane d'eau saumâtre fonctionnant à 1,0-1,2 MPa, cela signifie que 15 à 18 % de la pression motrice nette est absorbée par polarisation de concentration.
Quantification du débit de perméat et du taux de dessalement :
Selon les manuels techniques des fabricants de membranes (en utilisant la série DuPont FilmTec comme exemple), avec une diminution de 15 % du débit d'alimentation et une augmentation de 1,2 à 1,4, le débit de perméat du système diminuera de 12 % à 18 % en mode pression constante. Cela n’est pas dû à l’encrassement de la membrane, mais plutôt à la compensation de la force motrice effective.
Concernant le taux de dessalement, pour chaque augmentation de 0,1, la perméabilité au NaCl augmente d'environ 20 à 30 %. Lorsque le taux de dessalement d'une membrane d'eau saumâtre normale est de 99,5 %, la conductivité du perméat est d'environ 10 à 15 µS/cm.
Lorsque la polarisation de concentration est sévère, la conductivité du perméat peut atteindre 30-50 µS/cm. Pour un système d'osmose inverse à un étage avec un lit mélangé, cela pourrait signifier que le cycle de régénération du lit mélangé est compressé de 72 heures à moins de 24 heures, doublant ainsi la consommation d'acide et d'alcali.
Risque d’échelle :
L'indice de saturation Langerile (LSI) du carbonate de calcium est généralement conçu pour être inférieur à 1,8 (avec inhibiteurs de tartre). La polarisation de la concentration augmente la concentration à la surface de la membrane, ce qui entraîne une valeur LSI réelle de 0,5 à 1,0 supérieure au débit d'eau global.
Dans un projet de réutilisation des eaux usées, le LSI du concentré en vrac était de 1,6. L'ajout d'inhibiteurs de tartre aurait dû être sûr selon la conception, mais pendant le fonctionnement, la différence de pression au niveau de l'élément terminal de la membrane est passée de 10 psi à 25 psi en trois mois. La dissection a révélé des cristaux de carbonate de calcium sur la surface de la membrane, avec un LSI de surface mesuré aussi élevé que 2,4-2,7, conséquence directe de l'accumulation de concentration dans la couche limite.
Le tartre de sulfate est encore plus sensible. Le produit de solubilité (Ksp) du sulfate de calcium est d'environ 2,4 × 10⁻⁵ (25 degrés). Lorsque le facteur de polarisation de concentration est de 1,4, le produit ionique de surface peut facilement dépasser Ksp de 1,2 à 1,5 fois, conduisant à la formation de cristaux. Une fois les cristaux précipités, le nettoyage chimique nécessite souvent une circulation pendant 6 à 8 heures ou plus, et un seul nettoyage peut réduire de façon permanente le taux de dessalement de 0,5 à 1 %.
Normes de contrôle des paramètres de fonctionnement :
Dans les directives de conception des éléments membranaires, le débit final du concentré est l’indicateur de contrôle principal. Pour les éléments membranaires de 8 pouces, le débit de concentré par unité n'est généralement pas inférieur à 3,6 m³/h.
Lorsque le débit descend en dessous de 3,0 m³/h, la force de cisaillement de la surface de la membrane diminue d'environ 250 à 300 s⁻¹ à environ 150 s⁻¹, ce qui entraîne une augmentation significative de l'épaisseur de la couche limite.
Les données de mesure réelles montrent qu'à ce stade, la valeur peut passer de la normale 1,15-1,2 à plus de 1,35, et le taux de dessalement du système montrera une diminution observable en 1 à 2 semaines.
Taux de récupération et polarisation de concentration :
Pour un système d'osmose inverse à un étage-, l'augmentation du taux de récupération de 50 % à 75 % augmente la valeur de l'élément de membrane final d'environ 0,1 à 0,15. C'est pourquoi les systèmes sont généralement conçus avec deux, voire trois étapes, le taux de récupération de chaque étape étant contrôlé entre 40 et 50 %. Le taux de récupération global est augmenté en ajoutant davantage d'étapes, plutôt qu'en supprimant le taux de récupération d'une seule étape.
De nombreux accidents opérationnels se produisent parce que, dans l'idée de « produire plus d'eau », le taux de récupération est augmenté de 75 % à 80 %, ce qui entraîne une valeur finale supérieure à 1,5, entraînant des alarmes de mise à l'échelle en un mois.