Voda preteká membránou pod tlakom, ale soli a organické látky nemôžu prejsť a sú zachytené na povrchu membrány. "Akumulácia" rozpustenej látky na povrchu membrány má oveľa vyššiu koncentráciu ako objemový prietok vody; toto je polarizácia koncentrácie. Vytvorenie tejto hraničnej vrstvy má komplexný vplyv na systém.
V systémoch reverznej osmózy je pomer koncentrácie rozpustenej látky na povrchu membrány ku koncentrácii v objemovom toku vody definovaný ako koncentračný polarizačný faktor. V inžinierskej praxi sa zvyčajne riadi pod 1,2. Keď je však prívodný kanál zablokovaný alebo sa prietok zníži, môže ľahko stúpnuť na 1,4 alebo dokonca 1,5. To znamená, že koncentrácia soli na povrchu membrány je o 40 % - 50 % vyššia ako koncentrácia soli v koncentráte, ktorý nameriame.
Napríklad pri typickej brakickej vode, keď je koncentrácia soli v objemovom koncentráte 5000 mg/l, lokálna koncentrácia na povrchu membrány môže dosiahnuť 7000 až 7500 mg/l. Osmotický tlak je priamo úmerný salinite – s každým zvýšením salinity o 1000 mg/l sa osmotický tlak zvýši približne o 0,07 MPa (0,7 bar).
Zvýšenie povrchovej koncentrácie o 2 500 mg/l má za následok ďalších takmer 0,18 MPa (1,8 baru) v osmotickom tlaku. Pre membránové systémy brakickej vody pracujúce pri 1,0-1,2 MPa to znamená, že 15%-18% čistého hnacieho tlaku je absorbovaných koncentračnou polarizáciou.
Kvantifikácia prietoku permeátu a rýchlosti odsoľovania:
Podľa technických príručiek výrobcov membrán (ako príklad používame sériu DuPont FilmTec) s 15 % znížením prietoku privádzaného prúdu a zvýšením z 1,2 na 1,4 sa prietok systémového permeátu zníži o 12 % až 18 % v režime konštantného tlaku. Nie je to spôsobené zanášaním membrány, ale skôr účinnou hnacou silou, ktorá je kompenzovaná.
Čo sa týka rýchlosti odsoľovania, na každé zvýšenie o 0,1 % sa priepustnosť NaCl zvyšuje približne o 20 % až 30 %. Keď je miera odsoľovania normálnej membrány brakickej vody 99,5 %, vodivosť permeátu je približne 10-15 µS/cm.
Keď je polarizácia koncentrácie závažná, vodivosť permeátu sa môže zvýšiť na 30-50 µS/cm. Pre jednostupňový systém reverznej osmózy so zmiešaným lôžkom by to mohlo znamenať, že regeneračný cyklus zmiešaného lôžka sa stlačí zo 72 hodín na menej ako 24 hodín, čím sa zdvojnásobí spotreba kyseliny a zásady.
Mierkové riziko:
Langerileho saturačný index (LSI) uhličitanu vápenatého je typicky navrhnutý tak, aby bol pod 1,8 (s inhibítormi vodného kameňa). Koncentračná polarizácia zvyšuje koncentráciu na povrchu membrány, výsledkom čoho je skutočná hodnota LSI o 0,5-1,0 vyššia ako objemový prietok vody.
V projekte opätovného použitia odpadových vôd bol objemový koncentrát LSI 1,6. Pridávanie inhibítorov vodného kameňa by malo byť podľa návrhu bezpečné, ale počas prevádzky sa tlakový rozdiel na koncovom membránovom prvku zvýšil z 10 psi na 25 psi v priebehu troch mesiacov. Pitva odhalila kryštály uhličitanu vápenatého na povrchu membrány s nameraným povrchom LSI až 2,4-2,7, čo je priamy dôsledok nárastu koncentrácie hraničnej vrstvy.
Ešte citlivejšia je sulfátová stupnica. Produkt rozpustnosti (Ksp) síranu vápenatého je približne 2,4 x 10-5 (25 stupňov). Keď je koncentračný polarizačný faktor 1,4, povrchový iónový produkt môže ľahko prekročiť Ksp 1,2-1,5 krát, čo vedie k tvorbe kryštálov. Akonáhle sa kryštály vyzrážajú, chemické čistenie často vyžaduje cirkuláciu 6-8 hodín alebo viac a jediné čistenie môže trvalo znížiť rýchlosť odsoľovania o 0,5%-1%.
Kontrolné normy pre prevádzkové parametre:
V pokynoch pre návrh membránových prvkov je konečný prietok koncentrátu ukazovateľom kontroly jadra. Pre 8-palcové membránové prvky nie je prietok koncentrátu na jednotku typicky menší ako 3,6 m³/h.
Keď prietok klesne pod 3,0 m³/h, povrchová šmyková sila membrány sa zníži z približne 250-300 s⁻¹ na približne 150 s⁻¹, čo vedie k výraznému zvýšeniu hrúbky hraničnej vrstvy.
Aktuálne namerané údaje ukazujú, že v tomto bode môže hodnota vyskočiť z normálnych 1,15-1,2 na viac ako 1,35 a rýchlosť odsoľovania systému bude vykazovať pozorovateľný pokles v priebehu 1-2 týždňov.
Rýchlosť zotavenia a polarizácia koncentrácie:
V prípade jednostupňového{0}}systému reverznej osmózy zvýšenie miery regenerácie z 50 % na 75 % zvýši hodnotu konečného membránového prvku približne o 0,1 – 0,15. To je dôvod, prečo sú systémy zvyčajne navrhnuté s dvoma alebo dokonca tromi stupňami, pričom miera obnovy každého stupňa je riadená na 40% - 50%. Celková miera obnovy sa zvýši pridaním viacerých stupňov, a nie vytlačením rýchlosti obnovy jedného stupňa.
K mnohým prevádzkovým nehodám dochádza preto, že pri myšlienke „produkovať viac vody“ sa miera obnovy zvýši zo 75 % na 80 %, čo vedie ku konečnej hodnote presahujúcej 1,5, čo vedie k stupňom alarmov do jedného mesiaca.
