Voda teče kroz membranu pod pritiskom, ali soli i organske materije ne mogu da prođu kroz nju i zarobljene su na površini membrane. "Akumulacija" otopljene tvari na površini membrane ima mnogo veću koncentraciju od protoka vode; ovo je polarizacija koncentracije. Formiranje ovog graničnog sloja ima sveobuhvatan uticaj na sistem.
U sistemima reverzne osmoze, omjer koncentracije otopljene tvari na površini membrane i koncentracije u protoku vode u masi definira se kao faktor polarizacije koncentracije. U inženjerskoj praksi se obično kontroliše ispod 1,2. Međutim, kada se dovodni kanal blokira ili se brzina protoka smanji, može lako porasti na 1,4 ili čak 1,5. To znači da je koncentracija soli na površini membrane 40%-50% veća od koncentracije soli u koncentratu koji mjerimo.
Na primjer, kod tipične boćate vode, kada je koncentracija soli u koncentratu 5000 mg/L, lokalna koncentracija na površini membrane može doseći 7000-7500 mg/L. Osmotski pritisak je direktno proporcionalan salinitetu – za svakih 1000 mg/L povećanja saliniteta, osmotski pritisak se povećava za približno 0,07 MPa (0,7 bara).
Povećanje površinske koncentracije od 2500 mg/L dovodi do dodatnih skoro 0,18 MPa (1,8 bara) osmotskog pritiska. Za membranske sisteme s bočatom vodom koji rade na 1,0-1,2 MPa, to znači da je 15%-18% neto pogonskog pritiska apsorbirano koncentracijskom polarizacijom.
Kvantifikacija brzine protoka permeata i brzine desalinizacije:
Prema tehničkim priručnicima proizvođača membrana (koristeći DuPont FilmTec seriju kao primjer), uz smanjenje protoka od 15% i povećanje sa 1,2 na 1,4, brzina protoka permeata sistema će se smanjiti za 12%-18% u režimu konstantnog pritiska. To nije zbog onečišćenja membrane, već zbog nadoknađivanja efektivne pokretačke sile.
Što se tiče stope desalinizacije, za svakih 0,1 porasta, propusnost NaCl se povećava za otprilike 20%-30%. Kada je stopa desalinizacije normalne membrane bočate vode 99,5%, provodljivost permeata je približno 10-15 µS/cm.
Kada je polarizacija koncentracije teška, provodljivost permeata može porasti do 30-50 µS/cm. Za jednostepeni sistem reverzne osmoze sa mješovitim slojem, to bi moglo značiti da je ciklus regeneracije mješovitog sloja komprimiran sa 72 sata na manje od 24 sata, udvostručavajući potrošnju kiselina i lužina.
Skala rizika:
Langerile indeks zasićenosti (LSI) kalcijum karbonata je tipično dizajniran da bude ispod 1,8 (sa inhibitorima kamenca). Koncentraciona polarizacija povećava koncentraciju na površini membrane, što rezultira stvarnom LSI vrijednošću 0,5-1,0 višom od protoka vode.
U projektu ponovne upotrebe otpadnih voda, LSI u rasutom stanju bio je 1,6. Dodavanje inhibitora kamenca trebalo je da bude bezbedno prema projektu, ali tokom rada razlika pritiska na elementu terminalne membrane se povećala sa 10 psi na 25 psi u roku od tri meseca. Disekcijom su otkriveni kristali kalcijum karbonata na površini membrane, sa izmjerenom površinom LSI čak 2,4-2,7, što je direktna posljedica povećanja koncentracije graničnog sloja.
Sulfatni kamenac je još osjetljiviji. Proizvod rastvorljivosti (Ksp) kalcijum sulfata je približno 2,4 × 10⁻⁵ (25 stepeni). Kada je faktor polarizacije koncentracije 1,4, površinski ionski proizvod može lako premašiti Ksp za 1,2-1,5 puta, što dovodi do formiranja kristala. Jednom kada se kristali talože, hemijsko čišćenje često zahtijeva cirkulaciju 6-8 sati ili više, a jedno čišćenje može trajno smanjiti stopu desalinizacije za 0,5%-1%.
Standardi kontrole radnih parametara:
U smjernicama za dizajn membranskih elemenata, konačni protok koncentrata je kontrolni indikator jezgre. Za membranske elemente od 8 inča, brzina protoka koncentrata po jedinici obično nije manja od 3,6 m³/h.
Kada brzina protoka padne ispod 3,0 m³/h, sila smicanja površine membrane se smanjuje sa približno 250-300 s⁻¹ na oko 150 s⁻¹, što rezultira značajnim povećanjem debljine graničnog sloja.
Stvarni podaci mjerenja pokazuju da u ovom trenutku vrijednost može skočiti sa normalnih 1,15-1,2 na preko 1,35, a stopa desalinizacije u sistemu će pokazati vidljivo smanjenje u roku od 1-2 sedmice.
Stopa oporavka i polarizacija koncentracije:
Za jednostepeni-sistem reverzne osmoze, povećanje stope oporavka sa 50% na 75% povećava vrijednost konačnog elementa membrane za približno 0,1-0,15. Zbog toga su sistemi obično dizajnirani sa dva ili čak tri stepena, sa stopom oporavka svake faze kontrolisanom na 40%-50%. Ukupna stopa oporavka se povećava dodavanjem više faza, umjesto istiskivanjem stope oporavka jedne faze.
Mnoge operativne nesreće se događaju zato što se, pod idejom „proizvodnje više vode“, stopa oporavka povećava sa 75% na 80%, što rezultira konačnom vrijednošću koja prelazi 1,5, što dovodi do alarma skaliranja u roku od mjesec dana.