A víz nyomás alatt átáramlik a membránon, de a sók és a szerves anyagok nem tudnak átjutni, és a membrán felületén csapdába esnek. Az oldott anyag "felhalmozódása" a membrán felületén sokkal nagyobb koncentrációban jelentkezik, mint az ömlesztett vízáramlás; ez a koncentráció polarizáció. Ennek a határrétegnek a kialakulása átfogó hatással van a rendszerre.
A fordított ozmózisos rendszerekben a membrán felületén lévő oldott anyag koncentrációjának és a térfogati vízáramlás koncentrációjának arányát a koncentráció polarizációs tényezőjeként határozzák meg. A mérnöki gyakorlatban általában 1,2 alá ellenőrzik. Ha azonban a betápláló csatorna blokkolva van, vagy az áramlási sebesség csökken, könnyen 1,4-re vagy akár 1,5-re emelkedhet. Ez azt jelenti, hogy a sókoncentráció a membrán felületén 40-50%-kal magasabb, mint az általunk mért koncentrátum sókoncentrációja.
Például tipikus brakkvíznél, amikor a sókoncentrátum ömlesztett koncentrációja 5000 mg/l, a membrán felületén a lokális koncentráció elérheti a 7000-7500 mg/l-t. Az ozmotikus nyomás egyenesen arányos a sótartalommal – minden 1000 mg/l sótartalom-növekedés esetén az ozmotikus nyomás körülbelül 0,07 MPa-val (0,7 bar) nő.
A felületi koncentráció 2500 mg/l-es növekedése további közel 0,18 MPa (1,8 bar) ozmotikus nyomást eredményez. Az 1,0-1,2 MPa nyomáson működő brakkvíz membránrendszereknél ez azt jelenti, hogy a nettó hajtónyomás 15-18%-át nyeli el a koncentráció polarizáció.
A permeátum áramlási sebességének és a sótalanítási sebességnek a mennyiségi meghatározása:
A membrángyártó műszaki kézikönyvei szerint (példaként a DuPont FilmTec sorozatot használva) a betáplálási sebesség 15%-os csökkenésével és 1,2-ről 1,4-re való növekedésével a rendszer permeátum áramlási sebessége 12%-18%-kal csökken állandó nyomású üzemmódban. Ez nem a membrán elszennyeződésének köszönhető, hanem a hatásos hajtóerő ellensúlyozásának.
Ami a sótalanítási arányt illeti, a NaCl permeabilitás minden 0,1 növekedésével körülbelül 20-30%-kal nő. Ha egy normál brakkvíz membrán sótalanítási sebessége 99,5%, a permeátum vezetőképessége körülbelül 10-15 µS/cm.
Ha a koncentráció polarizációja erős, a permeátum vezetőképessége 30-50 µS/cm-re emelkedhet. Egyfokozatú, vegyes ágyas fordított ozmózisos rendszer esetén ez azt jelentheti, hogy a vegyes ágy regenerációs ciklusa 72 óráról kevesebb, mint 24 órára csökken, megkétszerezve a sav- és lúgfogyasztást.
Mérési kockázat:
A kalcium-karbonát Langerile-telítettségi indexét (LSI) általában 1,8 alattira tervezték (vízkőgátlókkal együtt). A koncentráció polarizáció növeli a koncentrációt a membrán felületén, ami a tényleges LSI értéket 0,5-1,0-kal magasabb, mint a térfogatáram.
Egy szennyvíz-újrafelhasználási projektben az ömlesztett koncentrátum LSI 1,6 volt. A vízkőgátlók hozzáadásának a tervezés szerint biztonságosnak kellett lennie, de működés közben a nyomáskülönbség a terminális membránelemnél három hónapon belül 10 psi-ről 25 psi-re nőtt. A boncolás során kalcium-karbonát kristályokat találtunk a membrán felületén, a mért felületi LSI 2,4-2,7 volt, ami a határréteg-koncentráció felhalmozódásának közvetlen következménye.
A szulfátréteg még érzékenyebb. A kalcium-szulfát oldhatósági szorzata (Ksp) körülbelül 2,4 × 10-5 (25 fok). Ha a koncentráció polarizációs tényezője 1,4, a felületi iontermék könnyen meghaladhatja a Ksp-t 1,2-1,5-szeresével, ami kristályképződéshez vezet. A kristályok kiválása után a vegyszeres tisztítás gyakran 6-8 órán át vagy tovább keringet, és egyetlen tisztítás tartósan 0,5-1%-kal csökkentheti a sótalanítási arányt.
A működési paraméterek szabályozási szabványai:
A membránelem tervezési irányelveiben a végső koncentrátum áramlási sebessége a mag ellenőrző jelzője. 8 hüvelykes membránelemeknél a koncentrátum egységenkénti áramlási sebessége jellemzően nem kevesebb, mint 3,6 m³/h.
Amikor az áramlási sebesség 3,0 m3/h alá csökken, a membrán felületi nyíróereje körülbelül 250-300 s-1-ről körülbelül 150 s-1-re csökken, ami a határréteg vastagságának jelentős növekedését eredményezi.
A tényleges mérési adatok azt mutatják, hogy ezen a ponton az érték a normál 1,15-1,2-ről 1,35 fölé ugorhat, és a rendszer sótalanítási aránya 1-2 héten belül megfigyelhető csökkenést mutat.
A helyreállítási sebesség és a koncentráció polarizációja:
Egy-fokozatú fordított ozmózisos rendszer esetén a visszanyerési arány 50%-ról 75%-ra történő növelése körülbelül 0,1-0,15-tel növeli a végső membránelem értékét. Ez az oka annak, hogy a rendszereket általában két vagy akár három fokozattal tervezik, és mindegyik fokozat visszanyerési aránya 40-50%-ra szabályozható. A teljes helyreállítási sebességet több szakasz hozzáadásával növeli, ahelyett, hogy egyetlen szakasz helyreállítási sebességét kiszorítaná.
Sok üzemi baleset azért következik be, mert a "több víz előállításának" gondolata alatt a visszanyerési arányt 75%-ról 80%-ra növelik, így a végső érték meghaladja az 1,5-öt, ami egy hónapon belül skálázó riasztásokhoz vezet.