Nackdelarna med koncentrationspolarisation vid omvänd osmos

Det globala behovet av rent vatten ökar stadigt, samtidigt som tillgången på färskt vatten minskar. Behandling av befintliga vattenkällor med omvänd osmos blir därför allt vanligare. Tekniken används bland annat inom vattenavhärdning, desinfektion, avsaltning av havsvatten samt borttagning av oorganiska föroreningar.

Prestandan hos det permeabla membranet under omvänd osmos avgörs till stor del av dess förmåga att stöta bort lösta ämnen – ett fenomen som kallas koncentrationspolarisation. Denna artikel går igenom vad koncentrationspolarisation innebär, vilka problem den orsakar och hur den påverkar processens totala effektivitet.

Modeller för omvänd osmos

För att beskriva transporten genom membranet används i dag tre huvudsakliga modelltyper:

• Irvärstermodynamisk modell: Utgår från att membranet befinner sig nära termodynamisk jämvikt och beskriver flödena med fenomenologiska samband.
• Homogen membranmodell: Antager att polymermembranet är porfritt och att transporten sker enbart via diffusion genom membranmaterialet.
• Porös modell: Beskriver transport som sker både genom diffusion och konvektion i porer som sträcker sig genom hela membranet.

Vad är koncentrationspolarisation?

Koncentrationspolarisation uppstår när lösta ämnen som inte kan passera membranets yta ansamlas där. Det leder till att koncentrationen av lösta ämnen blir högre på ena sidan av membranväggen än på den andra.

Fenomenet påverkas av flera faktorer: membranets egenskaper, de lösta ämnens egenskaper samt tvär- och längsgående strömningsfält. Koncentrationspolarisation har en betydande inverkan på hela omvända osmos-processens prestanda och används bland annat för att förutsäga bildning av avlagringar på membranytan.

Problem vid modellering

Koncentrationspolarisation försvårar matematisk modellering av omvänd osmos, eftersom det blir svårare att beräkna lösningsmedlets väggkoncentration – en nödvändig parameter vid utformningen av processmodeller. Den ökade koncentrationsgradienten över membranet leder dessutom till ett högre flöde av lösta ämnen genom membranet, vilket även förändrar membranets separeringsegenskaper.

Övriga nackdelar

När löslighetsgränsen överskrids orsakar koncentrationspolarisation utfällning av lösta ämnen. Det resulterar i partikelbeläggningar (fouling) samt bildning av mineralskalor på membranytan.

Det förhöjda osmotiska trycket vid membranväggen minskar dessutom det vattenflöde som passerar genom membranet. Både beläggningarna och det sjunkande vattenflödet förstärks ytterligare av ansamling av material i matningsströmmen, som blockerar membranets yta och därmed försämrar processens effektivitet över tid.