Vand strømmer gennem membranen under tryk, men salte og organisk materiale kan ikke passere igennem og fanges på membranoverfladen. Den opløste "akkumulering" på membranoverfladen har en meget højere koncentration end bulkvandstrømmen; dette er koncentrationspolarisering. Dannelsen af dette grænselag har en omfattende indvirkning på systemet.
I omvendt osmose-systemer er forholdet mellem koncentrationen af opløst stof ved membranoverfladen og koncentrationen i bulkvandstrømmen defineret som koncentrationens polarisationsfaktor. I ingeniørpraksis, er normalt kontrolleret under 1,2. Men når først tilførselskanalen er blokeret eller flowhastigheden falder, kan den let stige til 1,4 eller endda 1,5. Det betyder, at saltkoncentrationen ved membranoverfladen er 40%-50% højere end saltkoncentrationen af det koncentrat, vi måler.
For eksempel, med typisk brakvand, når bulkkoncentratsaltkoncentrationen er 5000 mg/L, kan den lokale koncentration ved membranoverfladen nå 7000-7500 mg/L. Det osmotiske tryk er direkte proportionalt med saltindholdet – for hver stigning på 1000 mg/L i saltindholdet stiger det osmotiske tryk med cirka 0,07 MPa (0,7 bar).
En stigning på 2500 mg/L i overfladekoncentration resulterer i yderligere næsten 0,18 MPa (1,8 bar) i osmotisk tryk. For brakvandsmembransystemer, der opererer ved 1,0-1,2 MPa, betyder det, at 15%-18% af nettodrivtrykket absorberes af koncentrationspolarisering.
Kvantificering af permeatstrømningshastighed og afsaltningshastighed:
Ifølge membranproducentens tekniske manualer (der bruger DuPont FilmTec-serien som eksempel), med et fald på 15 % i tilførselsflowhastigheden og en stigning i fra 1,2 til 1,4, vil systemets permeatstrømningshastighed falde med 12 %-18 % i konstant tryktilstand. Dette skyldes ikke membrantilsmudsning, men snarere den effektive drivkraft, der udlignes.
Med hensyn til afsaltningshastigheden, for hver 0,1 stigning i , øges NaCl-permeabiliteten med ca. 20%-30%. Når afsaltningshastigheden for en normal brakvandsmembran er 99,5 %, er permeatets ledningsevne ca. 10-15 µS/cm.
Når koncentrationspolariseringen er alvorlig, kan permeatets ledningsevne stige til 30-50 µS/cm. For et enkelttrins omvendt osmosesystem med et blandet leje kan dette betyde, at regenereringscyklussen for blandet leje er komprimeret fra 72 timer til mindre end 24 timer, hvilket fordobler forbruget af syre og alkali.
Skaleringsrisiko:
Langerile Saturation Index (LSI) for calciumcarbonat er typisk designet til at være under 1,8 (med kedelstensinhibitorer). Koncentrationspolarisering øger koncentrationen ved membranoverfladen, hvilket resulterer i en faktisk LSI-værdi 0,5-1,0 højere end bulkvandstrømmen.
I et spildevandsgenbrugsprojekt var bulkkoncentratet LSI 1,6. Tilføjelse af kedelstensinhibitorer burde have været sikkert i henhold til designet, men under drift steg trykforskellen ved det terminale membranelement fra 10 psi til 25 psi inden for tre måneder. Dissektion afslørede calciumcarbonatkrystaller på membranoverfladen med en målt overflade LSI så høj som 2,4-2,7, en direkte konsekvens af opbygning af grænselagskoncentration.
Sulfatskala er endnu mere følsom. Opløselighedsproduktet (Ksp) af calciumsulfat er ca. 2,4 x 10⁵ (25 grader). Når koncentrationens polarisationsfaktor er 1,4, kan overfladeionproduktet nemt overstige Ksp med 1,2-1,5 gange, hvilket fører til krystaldannelse. Når først krystaller udfældes, kræver kemisk rensning ofte cirkulation i 6-8 timer eller mere, og en enkelt rensning kan permanent reducere afsaltningshastigheden med 0,5%-1%.
Kontrolstandarder for driftsparametre:
I retningslinjerne for design af membranelementer er den endelige koncentratstrømningshastighed kernekontrolindikatoren. For 8-tommer membranelementer er koncentratstrømningshastigheden pr. enhed typisk ikke mindre end 3,6 m³/h.
Når strømningshastigheden falder til under 3,0 m³/h, falder membranoverfladeforskydningskraften fra ca. 250-300 s⁻1 til omkring 150 s⁻1, hvilket resulterer i en signifikant stigning i grænselagstykkelse.
Faktiske måledata viser, at værdien på dette tidspunkt kan springe fra de normale 1,15-1,2 til over 1,35, og systemets afsaltningshastighed vil vise et observerbart fald inden for 1-2 uger.
Gendannelseshastighed og koncentrationspolarisering:
For et enkelt-omvendt osmosesystem øger en forøgelse af genvindingshastigheden fra 50 % til 75 % værdien af det endelige membranelement med ca. 0,1-0,15. Dette er grunden til, at systemer normalt er designet med to eller endda tre trin, hvor hvert trins genvindingsgrad er styret til 40%-50%. Den samlede genvindingsgrad øges ved at tilføje flere stadier i stedet for ved at presse genvindingsgraden ud af et enkelt stadie.
Mange driftsulykker sker, fordi under ideen om at "producere mere vand" øges genvindingsgraden fra 75% til 80%, hvilket resulterer i, at den endelige værdi overstiger 1,5, hvilket fører til skalering af alarmer inden for en måned.
