물은 압력을 받아 막을 통과해 흐르지만 염분과 유기물은 통과하지 못하고 막 표면에 갇히게 됩니다. 막 표면의 용질 "축적"은 대량의 물 흐름보다 훨씬 더 높은 농도를 갖습니다. 이것이 바로 집중 양극화입니다. 이 경계층의 형성은 시스템에 포괄적인 영향을 미칩니다.
역삼투 시스템에서 막 표면의 용질 농도 대 물 흐름의 농도 비율은 농도 분극 인자로 정의됩니다. 엔지니어링 실무에서는 일반적으로 1.2 이하로 제어됩니다. 그러나 공급 채널이 막히거나 유속이 감소하면 쉽게 1.4 또는 심지어 1.5까지 치솟을 수 있습니다. 이는 막 표면의 염분 농도가 우리가 측정하는 농축액의 염분 농도보다 40%-50% 더 높다는 것을 의미합니다.
예를 들어, 일반적인 기수에서 벌크 농축 염 농도가 5000mg/L일 때 막 표면의 국소 농도는 7000-7500mg/L에 도달할 수 있습니다. 삼투압은 염도에 정비례합니다. 염도가 1000mg/L 증가할 때마다 삼투압은 약 0.07MPa(0.7bar)씩 증가합니다.
표면 농도가 2500mg/L 증가하면 삼투압이 거의 0.18MPa(1.8bar) 증가합니다. 1.0-1.2 MPa에서 작동하는 기수 막 시스템의 경우 이는 순 구동 압력의 15%-18%가 농도 분극에 의해 흡수됨을 의미합니다.
투과유량 및 담수화율의 정량화:
멤브레인 제조업체 기술 매뉴얼(예: DuPont FilmTec 시리즈 사용)에 따르면 공급 유량이 15% 감소하고 1.2에서 1.4로 증가하면 정압 모드에서 시스템 투과 유량이 12%-18% 감소합니다. 이는 막 오염으로 인한 것이 아니라 오히려 유효 추진력이 상쇄되기 때문입니다.
담수화율은 0.1 증가할 때마다 NaCl 투과도가 약 20~30% 증가합니다. 일반 기수막의 담수화율이 99.5%일 때 투과 전도도는 약 10~15μS/cm입니다.
농도 분극이 심할 경우 투과 전도도는 30-50 µS/cm까지 올라갈 수 있습니다. 혼합층을 갖춘 단일 단계 역삼투 시스템의 경우 이는 혼합층 재생 주기가 72시간에서 24시간 미만으로 압축되어 산과 알칼리 소비가 두 배로 늘어남을 의미할 수 있습니다.
규모 위험:
탄산칼슘의 LSI(랑게릴 포화지수)는 일반적으로 스케일 억제제 사용 시 1.8 미만으로 설계됩니다. 농도 분극은 막 표면의 농도를 증가시켜 실제 LSI 값이 벌크 물 흐름보다 0.5-1.0 더 높아집니다.
폐수 재이용 프로젝트에서 벌크 농축 LSI는 1.6이었습니다. 스케일 억제제를 추가하는 것은 설계에 따라 안전해야 했지만 작동 중에 말단 멤브레인 요소의 압력 차이가 3개월 이내에 10psi에서 25psi로 증가했습니다. 해부에서는 막 표면의 탄산칼슘 결정이 밝혀졌으며, 측정된 표면 LSI는 경계층 농도 축적의 직접적인 결과인 2.4-2.7로 높았습니다.
황산염 스케일은 훨씬 더 민감합니다. 황산칼슘의 용해도곱(Ksp)은 약 2.4×10⁻⁵(25도)입니다. 농도 분극 인자가 1.4이면 표면 이온 생성물이 Ksp를 1.2~1.5배 쉽게 초과하여 결정이 형성될 수 있습니다. 일단 결정이 침전되면 화학적 세척에는 6~8시간 이상의 순환이 필요한 경우가 많으며, 한 번의 세척으로 담수화율을 0.5%~1% 영구적으로 줄일 수 있습니다.
작동 매개변수에 대한 제어 표준:
멤브레인 요소 설계 지침에서는 최종 농축 유량이 핵심 제어 지표입니다. 8인치 멤브레인 요소의 경우 단위당 농축 유량은 일반적으로 3.6m³/h 이상입니다.
유속이 3.0m³/h 미만으로 떨어지면 막 표면 전단력이 약 250-300s⁻²에서 약 150s⁻1로 감소하여 경계층 두께가 크게 증가합니다.
실제 측정 데이터에 따르면 이 시점에서 값은 정상 1.15-1.2에서 1.35 이상으로 점프할 수 있으며 시스템 담수화 속도는 1-2주 내에 눈에 띄게 감소하는 것으로 나타납니다.
회수율 및 농도 양극화:
단일{0}}단계 역삼투 시스템의 경우 회수율을 50%에서 75%로 높이면 최종 막 요소의 값이 약 0.1-0.15만큼 증가합니다. 이것이 바로 시스템이 일반적으로 2단계 또는 3단계로 설계되고 각 단계의 복구율이 40%-50%로 제어되는 이유입니다. 한 단계의 회복률을 쥐어짜는 것이 아니라, 더 많은 단계를 추가함으로써 전체적인 회복률을 높이는 것입니다.
'물을 더 많이 생산한다'는 생각 아래 회수율을 75%에서 80%로 높여 최종 값이 1.5를 넘고, 한 달 안에 스케일링 알람이 발생하기 때문에 운영사고가 많이 발생한다.
