Konzentrationspolarisierung bei Umkehrosmose: Herausforderungen & Lösungen

Umkehrosmose und Konzentrationspolarisierung

Aufgrund der steigenden globalen Nachfrage nach Wasser und des schwindenden Angebots wird die Behandlung bestehender Wasserquellen durch Umkehrosmose immer beliebter. Umkehrosmose ist eine Anwendung in der Wasserenthärtung, Desinfektion, Entsalzung und Entfernung anorganischer Schadstoffe. Die Leistung der durchlässigen Membran während der Umkehrosmose wird durch ihre Fähigkeit bestimmt, Solute abzustoßen, auch bekannt als Konzentrationspolarisierung.

Umkehrosmose-Modelle

Derzeit gibt es drei Arten von Umkehrosmose-Modellen. Das Modell der irreversiblen Thermodynamik geht davon aus, dass die Membran nahe am Gleichgewicht ist und beschreibt Flüsse durch phänomenologische Beziehungen. Das homogene Membranmodell geht davon aus, dass die Polymermembran porenlos ist und der Transport über die Membran durch Diffusion erfolgt. Im porösen Modell erfolgt der Transport sowohl durch Diffusion als auch Konvektion durch die Poren, die sich über die gesamte Membran erstrecken.

Konzentrationspolarisierung

Die Ansammlung von Soluten, die die Membranoberfläche nicht überqueren können, wird als Konzentrationspolarisierung bezeichnet. Infolgedessen hat eine Seite der Membranwand eine höhere Solutkonzentration als die andere Seite. Konzentrationspolarisierung wird sowohl durch Membran- und Soluteigenschaften als auch durch Quer- und Längsströmungsfelder beeinflusst. Konzentrationspolarisierung hat einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtleistung des Umkehrosmoseprozesses und wird verwendet, um die Oberflächenverkalkung vorherzusagen.

Modellierungsprobleme

Konzentrationspolarisierung hat eine negative Wirkung auf die Modellierung der Umkehrosmose, da sie die Schwierigkeit bei der Berechnung der Solutwandkonzentration erhöht, die für das Modelldesign erforderlich ist. Der erhöhte Konzentrationsgradient über die Membran erhöht den Solutfluss durch die Membran. Konzentrationspolarisierung verändert auch die Trennfähigkeit der Membran.

Weitere Nachteile

Sobald die Löslichkeitsgrenze überschritten ist, verursacht Konzentrationspolarisierung die Ausfällung von Solute, was sowohl zu Partikelverschmutzung als auch zur Oberflächenverkalkung führt. Auch senkt der erhöhte osmotische Druck an der Membranwand den Wasserfluss. Sowohl Verschmutzung als auch der abnehmende Wasserfluss werden durch die Ansammlung von Material im Zulauf verstärkt, die die Oberfläche der Membran blockiert.