De relatie tussen permeaatvolume en watertemperatuur bij omgekeerde osmose (RO)-werking

De temperatuur van het inlaatwater is een van de belangrijkste en meest directe operationele parameters die het permeaatvolume van een filter beïnvloeden. RO-systeemBij een constante waterdruk aan de inlaat geldt dat hoe hoger de watertemperatuur aan de inlaat, hoe groter het permeaatvolume van het RO-systeem; omgekeerd geldt dat hoe lager de watertemperatuur aan de inlaat, hoe aanzienlijk kleiner het permeaatvolume. Dit is geen eenvoudige lineaire toename, maar de impact ervan is zeer significant. De onderliggende wetenschappelijke principes berusten hoofdzakelijk op de volgende twee punten:

1. Veranderingen in de viscositeit van water

Dit is de voornaamste reden. Watermoleculen zijn bij lage temperaturen sterker aan elkaar gebonden, wat resulteert in een slechte doorstroming en een verhoogde viscositeit. Koud water met een hoge viscositeit moet een grotere weerstand overwinnen om door de extreem kleine poriën (ongeveer 0,0001 micrometer) van het water te stromen. Ro-membraanwaardoor de stroomsnelheid vanzelfsprekend afneemt en het permeaatvolume per tijdseenheid kleiner wordt.

Omgekeerd geldt dat naarmate de temperatuur stijgt, watermoleculen actiever worden, hun viscositeit afneemt en ze "gladder" worden, waardoor ze gemakkelijker en sneller door de membraanporiën kunnen passeren en het permeaatvolume toeneemt.

2. Veranderingen in de materiaaleigenschappen van het membraan

Het RO-membraan zelf (meestal een polyamidecomposietmateriaal) is enigszins temperatuurgevoelig. Een verhoogde temperatuur veroorzaakt een lichte uitzetting van de poriënstructuur van het polymeermembraan, waardoor de poriën zich iets openen. Dit vermindert de waterweerstand enigszins, wat de permeaatstroom verder verhoogt.

Bij het ontwerp en de werking van RO-systemen is de temperatuurcorrectiefactor (TCF) een cruciaal concept.

De nominale permeaatstroom van een RO-systeem is doorgaans gebaseerd op een standaard toevoerwatertemperatuur, meestal 25 °C. De relatie tussen de werkelijke permeaatstroom en de standaard permeaatstroom kan worden berekend met behulp van een empirische formule:

Werkelijke permeaatstroom = Standaard permeaatstroom × TCF

TCF wordt meestal berekend met behulp van een exponentiële formule, vaak in de vorm:

TCF = exp[K × (1/(273+T) - 1/298)]

Waarbij T de werkelijke temperatuur van het voedingswater is (°C), K een constante is die verband houdt met het membraanmateriaal (doorgaans tussen 2000 en 3000), en 298 de temperatuur in Kelvin is (273 + 25), overeenkomend met de standaardtemperatuur van 25 °C.

Over het algemeen geldt, uitgaande van 25 °C als basistemperatuur, dat voor elke 1 °C temperatuurdaling de permeaatstroom met ongeveer 2% tot 3% afneemt. Omgekeerd geldt dat voor elke 1 °C temperatuurstijging de permeaatstroom met ongeveer 2% tot 3% toeneemt.

Invloed van de watertemperatuur op de werking van het systeem en tegenmaatregelen

Lage waterdoorstroming in de winter: Dit is het meest voorkomende probleem. Lage watertemperaturen in de winter leiden tot een ernstig tekort aan permeaat, waardoor mogelijk niet aan de watervraag kan worden voldaan. Oplossingen zijn onder andere:

Een voorverwarmer voor het voedingswater installeren: Door het voedingswater met elektriciteit of stoom te verwarmen tot boven de 15-20 °C kan dit probleem aanzienlijk worden verholpen.

Het aantal membraanelementen verhogen: Het aantal membranen wordt bepaald op basis van de minimaal verwachte watertemperatuur tijdens de initiële ontwerpfase van het systeem, maar dit verhoogt de initiële investering.

Verhoging van de werkdruk: De druk van de hogedrukpomp tijdelijk verhogen om koud water met een hoge viscositeit door het membraan te persen, maar dit verhoogt het energieverbruik en kan membraanvervuiling verergeren.

Problemen met hoge waterstanden in de zomer: Hoewel een hoge watertemperatuur en een hoge waterproductie gunstig lijken, brengen ze ook potentiële risico's met zich mee:

Te hoge terugwinningsgraad: Een te hoge terugwinningsgraad van het systeem (productwater/toevoerwater) kan leiden tot een sterke stijging van de zoutconcentratie aan de concentraatzijde, wat gemakkelijk kalkaanslag en membraanvervuiling kan veroorzaken.

Licht verlaagde membraanontzoutingssnelheid: Bij te hoge watertemperaturen bewegen watermoleculen te krachtig, waardoor er mogelijk meer zoutionen door het membraan worden meegevoerd. Dit resulteert in een lichte afname van de kwaliteit (geleidbaarheid) van het gezuiverde water. RO-membranen hebben doorgaans een maximale temperatuurlimiet (meestal 45 °C).