Vann strømmer gjennom membranen under trykk, men salter og organisk materiale kan ikke passere gjennom og fanges på membranoverflaten. Den oppløste "akkumuleringen" på membranoverflaten har en mye høyere konsentrasjon enn bulkvannstrømmen; dette er konsentrasjonspolarisering. Dannelsen av dette grenselaget har en omfattende innvirkning på systemet.
I omvendt osmosesystemer er forholdet mellom konsentrasjonen av oppløst stoff ved membranoverflaten og konsentrasjonen i bulkvannstrømmen definert som konsentrasjonens polarisasjonsfaktor. I ingeniørpraksis, er vanligvis kontrollert under 1,2. Men når matekanalen er blokkert eller strømningshastigheten synker, kan den lett stige til 1,4 eller til og med 1,5. Dette betyr at saltkonsentrasjonen ved membranoverflaten er 40%-50% høyere enn saltkonsentrasjonen til konsentratet vi måler.
For eksempel, med typisk brakkvann, når bulkkonsentratsaltkonsentrasjonen er 5000 mg/L, kan den lokale konsentrasjonen ved membranoverflaten nå 7000-7500 mg/L. Osmotisk trykk er direkte proporsjonalt med saltholdighet – for hver 1000 mg/L økning i saltholdighet øker det osmotiske trykket med omtrent 0,07 MPa (0,7 bar).
En økning på 2500 mg/L i overflatekonsentrasjon resulterer i ytterligere nesten 0,18 MPa (1,8 bar) i osmotisk trykk. For brakkvannsmembransystemer som opererer ved 1,0-1,2 MPa betyr dette at 15%-18% av netto drivtrykk absorberes av konsentrasjonspolarisering.
Kvantifisering av permeatstrømningshastighet og avsaltningshastighet:
I følge membranprodusentens tekniske manualer (som bruker DuPont FilmTec-serien som eksempel), med en 15 % reduksjon i matestrømningshastighet og en økning i fra 1,2 til 1,4, vil systempermeatstrømningshastigheten reduseres med 12 %-18 % i konstant trykkmodus. Dette er ikke på grunn av membranbegroing, men snarere den effektive drivkraften som utlignes.
Når det gjelder avsaltingshastighet, for hver 0,1 økning i , øker NaCl-permeabiliteten med omtrent 20%-30%. Når avsaltningshastigheten til en normal brakkvannsmembran er 99,5 %, er permeatets ledningsevne omtrent 10-15 µS/cm.
Når konsentrasjonspolariseringen er alvorlig, kan permeatets ledningsevne stige til 30-50 µS/cm. For et ett-trinns omvendt osmosesystem med et blandet lag kan dette bety at regenereringssyklusen for blandet lag er komprimert fra 72 timer til mindre enn 24 timer, noe som dobler syre- og alkaliforbruket.
Skaleringsrisiko:
Langerile Saturation Index (LSI) for kalsiumkarbonat er typisk utformet til å være under 1,8 (med avleiringshemmere). Konsentrasjonspolarisering øker konsentrasjonen ved membranoverflaten, noe som resulterer i en faktisk LSI-verdi 0,5-1,0 høyere enn bulkvannstrømmen.
I et gjenbruksprosjekt for avløpsvann var bulkkonsentrat-LSI 1,6. Tilsetning av avleiringshemmere burde vært trygt i henhold til design, men under drift økte trykkforskjellen ved terminalmembranelementet fra 10 psi til 25 psi i løpet av tre måneder. Disseksjon avdekket kalsiumkarbonatkrystaller på membranoverflaten, med en målt overflate LSI så høy som 2,4-2,7, en direkte konsekvens av oppbygging av grenselagskonsentrasjon.
Sulfatskala er enda mer følsom. Løselighetsproduktet (Ksp) av kalsiumsulfat er omtrent 2,4 x 10⁵ (25 grader). Når konsentrasjonens polarisasjonsfaktor er 1,4, kan overflateionproduktet lett overstige Ksp med 1,2-1,5 ganger, noe som fører til krystalldannelse. Når krystaller felles ut, krever kjemisk rensing ofte sirkulasjon i 6-8 timer eller mer, og en enkelt rensing kan permanent redusere avsaltingshastigheten med 0,5%-1%.
Kontrollstandarder for driftsparametere:
I retningslinjene for design av membranelementer er den endelige konsentratstrømningshastigheten kjernekontrollindikatoren. For 8-tommers membranelementer er konsentratstrømningshastigheten per enhet typisk ikke mindre enn 3,6 m³/t.
Når strømningshastigheten faller under 3,0 m³/t, avtar membranoverflatens skjærkraft fra ca. 250-300 s⁻1 til rundt 150 s⁻1, noe som resulterer i en betydelig økning i grensesjikttykkelse.
Faktiske måledata viser at på dette tidspunktet kan verdien hoppe fra normal 1,15-1,2 til over 1,35, og systemets avsaltningshastighet vil vise en observerbar reduksjon innen 1-2 uker.
Gjenopprettingshastighet og konsentrasjonspolarisering:
For et enkelt-omvendt osmosesystem øker en økning av utvinningsgraden fra 50 % til 75 % verdien av det endelige membranelementet med omtrent 0,1–0,15. Dette er grunnen til at systemer vanligvis er utformet med to eller til og med tre trinn, med hver trinns utvinningsgrad kontrollert til 40%-50%. Den totale utvinningsgraden økes ved å legge til flere stadier, i stedet for ved å presse ut utvinningsgraden for et enkelt trinn.
Mange driftsulykker skjer fordi, under ideen om å "produsere mer vann", økes utvinningsgraden fra 75 % til 80 %, noe som resulterer i at den endelige verdien overstiger 1,5, noe som fører til skalering av alarmer innen en måned.
