Vatten strömmar genom membranet under tryck, men salter och organiskt material kan inte passera igenom och fångas på membranets yta. Den lösta "ackumuleringen" på membranytan har en mycket högre koncentration än bulkvattenflödet; detta är koncentrationspolarisering. Bildandet av detta gränsskikt har en omfattande inverkan på systemet.
I system med omvänd osmos definieras förhållandet mellan koncentrationen av löst ämne vid membranytan och koncentrationen i bulkvattenflödet som koncentrationens polarisationsfaktor. I ingenjörspraktik, kontrolleras vanligtvis under 1,2. Men när matningskanalen är blockerad eller flödeshastigheten minskar, kan den lätt sväva till 1,4 eller till och med 1,5. Det betyder att saltkoncentrationen vid membranytan är 40%-50% högre än saltkoncentrationen i koncentratet vi mäter.
Till exempel, med typiskt bräckvatten, när bulkkoncentratsaltkoncentrationen är 5000 mg/L, kan den lokala koncentrationen vid membranytan nå 7000-7500 mg/L. Det osmotiska trycket är direkt proportionellt mot salthalten – för varje 1000 mg/L ökning av salthalten ökar det osmotiska trycket med cirka 0,07 MPa (0,7 bar).
En ökning med 2500 mg/L i ytkoncentration resulterar i ytterligare nästan 0,18 MPa (1,8 bar) i osmotiskt tryck. För bräckvattenmembransystem som arbetar vid 1,0-1,2 MPa betyder detta att 15%-18% av nettodrivtrycket absorberas av koncentrationspolarisering.
Kvantifiering av permeatflödeshastighet och avsaltningshastighet:
Enligt membrantillverkarens tekniska manualer (med DuPont FilmTec-serien som ett exempel), med en 15% minskning av matningsflödet och en ökning från 1,2 till 1,4, kommer systemets permeatflöde att minska med 12%-18% i konstanttrycksläge. Detta beror inte på membrannedsmutsning, utan snarare att den effektiva drivkraften kompenseras.
När det gäller avsaltningshastigheten, för varje 0,1 ökning av , ökar NaCl-permeabiliteten med cirka 20%-30%. När avsaltningshastigheten för ett normalt bräckvattenmembran är 99,5 % är permeatets konduktivitet cirka 10-15 µS/cm.
När koncentrationens polarisering är allvarlig kan permeatets konduktivitet stiga till 30-50 µS/cm. För ett enstegssystem med omvänd osmos med en blandad bädd kan detta innebära att regenereringscykeln för blandad bädd komprimeras från 72 timmar till mindre än 24 timmar, vilket fördubblar syra- och alkaliförbrukningen.
Skalrisk:
Langerile Saturation Index (LSI) för kalciumkarbonat är typiskt utformat för att vara under 1,8 (med skalinhibitorer). Koncentrationpolarisering ökar koncentrationen vid membranytan, vilket resulterar i ett faktiskt LSI-värde 0,5-1,0 högre än bulkvattenflödet.
I ett projekt för återanvändning av avloppsvatten var bulkkoncentratet LSI 1,6. Att lägga till avlagringshämmare borde ha varit säkert enligt design, men under drift ökade tryckskillnaden vid det terminala membranelementet från 10 psi till 25 psi inom tre månader. Dissektion avslöjade kalciumkarbonatkristaller på membranytan, med en uppmätt yt-LSI så hög som 2,4-2,7, en direkt följd av uppbyggnad av gränsskiktskoncentration.
Sulfatskala är ännu känsligare. Löslighetsprodukten (Ksp) av kalciumsulfat är ungefär 2,4 x 10⁵ (25 grader). När koncentrationens polarisationsfaktor är 1,4 kan ytjonprodukten lätt överstiga Ksp med 1,2-1,5 gånger, vilket leder till kristallbildning. När kristaller väl faller ut kräver kemisk rengöring ofta cirkulation i 6-8 timmar eller mer, och en enda rengöring kan permanent minska avsaltningshastigheten med 0,5%-1%.
Styrstandarder för driftsparametrar:
I riktlinjerna för design av membranelement är den slutliga koncentratflödeshastigheten kärnkontrollindikatorn. För 8-tums membranelement är koncentratflödeshastigheten per enhet typiskt inte mindre än 3,6 m³/h.
När flödeshastigheten sjunker under 3,0 m³/h, minskar membranytans skjuvkraft från cirka 250-300 s⁻1 till cirka 150 s⁻1, vilket resulterar i en signifikant ökning av gränsskiktets tjocklek.
Faktiska mätdata visar att vid denna tidpunkt kan värdet hoppa från det normala 1,15-1,2 till över 1,35, och systemets avsaltningshastighet kommer att visa en observerbar minskning inom 1-2 veckor.
Återställningshastighet och koncentrationspolarisering:
För ett enstegssystem för omvänd osmos ökar återhämtningsgraden från 50 % till 75 % värdet på det slutliga membranelementet med cirka 0,1–0,15. Detta är anledningen till att system vanligtvis är utformade med två eller till och med tre steg, med varje stegs återhämtningsgrad kontrollerad till 40%-50%. Den totala återhämtningsgraden ökas genom att lägga till fler steg, snarare än genom att pressa ut återhämtningsgraden för ett enda steg.
Många operativa olyckor inträffar eftersom, under idén om att "producera mer vatten," återvinningsgraden ökas från 75% till 80%, vilket resulterar i att slutvärdet överstiger 1,5, vilket leder till skalningslarm inom en månad.