Водата протича през мембраната под налягане, но солите и органичните вещества не могат да преминат и се улавят на повърхността на мембраната. „Натрупването“ на разтвореното вещество върху повърхността на мембраната има много по-висока концентрация от обемния воден поток; това е поляризация на концентрацията. Формирането на този граничен слой има цялостно въздействие върху системата.
В системите за обратна осмоза съотношението на концентрацията на разтвореното вещество на повърхността на мембраната към концентрацията в обемния воден поток се определя като поляризационен фактор на концентрацията. В инженерната практика обикновено се контролира под 1,2. Въпреки това, след като захранващият канал е блокиран или скоростта на потока намалее, може лесно да скочи до 1,4 или дори 1,5. Това означава, че концентрацията на сол на повърхността на мембраната е 40%-50% по-висока от концентрацията на сол в концентрата, който измерваме.
Например, с типична солена вода, когато концентрацията на соли в насипния концентрат е 5000 mg/L, локалната концентрация на повърхността на мембраната може да достигне 7000-7500 mg/L. Осмотичното налягане е право пропорционално на солеността – за всеки 1000 mg/L увеличение на солеността, осмотичното налягане се увеличава с приблизително 0,07 MPa (0,7 bar).
Повишаване с 2500 mg/L на повърхностната концентрация води до допълнителни почти 0,18 MPa (1,8 bar) осмотично налягане. За мембранни системи със солена вода, работещи при 1,0-1,2 MPa, това означава, че 15%-18% от нетното движещо налягане се абсорбира от поляризация на концентрацията.
Количествено определяне на дебита на пермеата и скоростта на обезсоляване:
Според техническите ръководства на производителя на мембраната (използвайки серията DuPont FilmTec като пример), с 15% намаление на дебита на захранващия поток и увеличение от 1,2 на 1,4, дебитът на пермеата в системата ще намалее с 12%-18% в режим на постоянно налягане. Това не се дължи на замърсяване на мембраната, а по-скоро на компенсираната ефективна движеща сила.
По отношение на скоростта на обезсоляване, за всяко 0,1 увеличение на пропускливостта на NaCl се увеличава с приблизително 20%-30%. Когато степента на обезсоляване на нормална солена водна мембрана е 99,5%, проводимостта на пермеата е приблизително 10-15 µS/cm.
Когато концентрационната поляризация е тежка, проводимостта на пермеата може да се повиши до 30-50 µS/cm. За едностепенна система за обратна осмоза със смесен слой, това може да означава, че цикълът на регенериране на смесен слой е компресиран от 72 часа до по-малко от 24 часа, удвоявайки консумацията на киселина и основи.
Риск от мащаба:
Индексът на насищане на Langerile (LSI) на калциевия карбонат обикновено е проектиран да бъде под 1,8 (с инхибитори на котления камък). Концентрационната поляризация увеличава концентрацията на повърхността на мембраната, което води до действителна LSI стойност с 0,5-1,0 по-висока от обемния воден поток.
В проект за повторно използване на отпадъчни води LSI на насипния концентрат беше 1,6. Добавянето на инхибитори на котления камък трябваше да е безопасно според проекта, но по време на работа разликата в налягането в крайния мембранен елемент се увеличи от 10 psi на 25 psi в рамките на три месеца. Дисекцията разкрива кристали на калциев карбонат върху повърхността на мембраната с измерен повърхностен LSI до 2,4-2,7, пряка последица от натрупването на концентрация в граничния слой.
Сулфатният котлен камък е още по-чувствителен. Продуктът на разтворимост (Ksp) на калциев сулфат е приблизително 2,4 × 10⁻⁵ (25 градуса). Когато факторът на поляризация на концентрацията е 1,4, повърхностният йонен продукт може лесно да надвиши Ksp с 1,2-1,5 пъти, което води до образуване на кристали. След като кристалите се утаят, химическото почистване често изисква циркулация за 6-8 часа или повече и еднократно почистване може трайно да намали степента на обезсоляване с 0,5%-1%.
Стандарти за контрол на работните параметри:
В насоките за дизайн на мембранния елемент крайният дебит на концентрата е основният контролен индикатор. За 8-инчови мембранни елементи дебитът на концентрата на единица обикновено е не по-малък от 3,6 m³/h.
Когато скоростта на потока падне под 3,0 m³/h, повърхностната сила на срязване на мембраната намалява от приблизително 250-300 s⁻¹ до около 150 s⁻¹, което води до значително увеличаване на дебелината на граничния слой.
Действителните данни от измерванията показват, че в този момент стойността може да скочи от нормалните 1,15-1,2 до над 1,35, а скоростта на обезсоляване на системата ще покаже видим спад в рамките на 1-2 седмици.
Скорост на възстановяване и поляризация на концентрацията:
За едно-етапна система за обратна осмоза, увеличаването на степента на възстановяване от 50% на 75% увеличава стойността на крайния мембранен елемент с приблизително 0,1-0,15. Ето защо системите обикновено се проектират с два или дори три етапа, като степента на възстановяване на всеки етап се контролира на 40%-50%. Общият процент на възстановяване се увеличава чрез добавяне на повече етапи, вместо чрез изстискване на процента на възстановяване на един етап.
Много оперативни аварии се случват, защото под идеята за „произвеждане на повече вода“, степента на възстановяване се увеличава от 75% на 80%, което води до крайна стойност над 1,5, което води до аларми за мащабиране в рамките на един месец.