L'aigua flueix per la membrana sota pressió, però les sals i la matèria orgànica no poden passar i queden atrapades a la superfície de la membrana. L'"acumulació" de solut a la superfície de la membrana té una concentració molt més alta que el flux d'aigua a granel; això és polarització de concentració. La formació d'aquesta capa límit té un impacte integral en el sistema.
En els sistemes d'osmosi inversa, la relació entre la concentració de solut a la superfície de la membrana i la concentració en el flux d'aigua a granel es defineix com el factor de polarització de la concentració. En la pràctica de l'enginyeria, normalment es controla per sota de 1,2. No obstant això, una vegada que el canal d'alimentació està bloquejat o el cabal disminueix, es pot elevar fàcilment a 1,4 o fins i tot 1,5. Això vol dir que la concentració de sal a la superfície de la membrana és un 40%-50% superior a la concentració de sal del concentrat que mesurem.
Per exemple, amb aigua salobre típica, quan la concentració de sal concentrada a granel és de 5000 mg/L, la concentració local a la superfície de la membrana pot arribar a 7000-7500 mg/L. La pressió osmòtica és directament proporcional a la salinitat: per cada augment de 1000 mg/L de salinitat, la pressió osmòtica augmenta aproximadament 0,07 MPa (0,7 bar).
Un augment de 2500 mg/L en la concentració superficial dóna lloc a una pressió osmòtica addicional de gairebé 0,18 MPa (1,8 bar). Per als sistemes de membrana d'aigua salobre que funcionen a 1,0-1,2 MPa, això significa que el 15%-18% de la pressió de conducció neta s'absorbeix per polarització de concentració.
Quantificació del cabal de permeat i velocitat de dessalinització:
Segons els manuals tècnics del fabricant de membranes (utilitzant com a exemple la sèrie DuPont FilmTec), amb una disminució del 15% del cabal d'alimentació i un augment d'1,2 a 1,4, el cabal de permeat del sistema disminuirà entre un 12% i un 18% en mode de pressió constant. Això no es deu a la contaminació de la membrana, sinó que es compensa la força motriu efectiva.
Pel que fa a la taxa de dessalinització, per cada augment de 0,1 de , la permeabilitat de NaCl augmenta aproximadament entre un 20% i un 30%. Quan la taxa de dessalinització d'una membrana d'aigua salobre normal és del 99,5%, la conductivitat del permeat és d'aproximadament 10-15 µS/cm.
Quan la polarització de la concentració és severa, la conductivitat del permeat pot augmentar fins a 30-50 µS/cm. Per a un sistema d'osmosi inversa d'una sola etapa amb un llit mixt, això podria significar que el cicle de regeneració del llit mixt es comprimeix de 72 hores a menys de 24 hores, duplicant el consum d'àcids i àlcalis.
Risc d'escala:
L'índex de saturació de Langerile (LSI) del carbonat de calci normalment està dissenyat per ser inferior a 1,8 (amb inhibidors d'escala). La polarització de la concentració augmenta la concentració a la superfície de la membrana, donant lloc a un valor LSI real 0,5-1,0 superior al flux d'aigua a granel.
En un projecte de reutilització d'aigües residuals, el LSI de concentrat a granel va ser d'1,6. L'addició d'inhibidors d'escala hauria d'haver estat segura segons el disseny, però durant el funcionament, el diferencial de pressió a l'element de membrana terminal va augmentar de 10 psi a 25 psi en tres mesos. La dissecció va revelar cristalls de carbonat de calci a la superfície de la membrana, amb un LSI de superfície mesurat fins a 2,4-2,7, conseqüència directa de l'acumulació de concentració de la capa límit.
L'escala de sulfat és encara més sensible. El producte de solubilitat (Ksp) del sulfat de calci és d'aproximadament 2,4 × 10⁻⁵ (25 graus). Quan el factor de polarització de concentració és d'1,4, el producte d'ions de superfície pot superar fàcilment Ksp en 1,2-1,5 vegades, donant lloc a la formació de cristalls. Una vegada que els cristalls precipiten, la neteja química sovint requereix circulació durant 6-8 hores o més, i una única neteja pot reduir permanentment la taxa de dessalinització entre un 0,5% i un 1%.
Normes de control dels paràmetres de funcionament:
A les directrius de disseny d'elements de membrana, el cabal de concentrat final és l'indicador de control central. Per als elements de membrana de 8 polzades, el cabal de concentrat per unitat no sol ser inferior a 3,6 m³/h.
Quan el cabal cau per sota de 3,0 m³/h, la força de tall de la superfície de la membrana disminueix d'aproximadament 250-300 s⁻¹ a uns 150 s⁻¹, donant lloc a un augment significatiu del gruix de la capa límit.
Les dades de mesura reals mostren que en aquest punt, el valor pot saltar de l'1,15-1,2 normal a més d'1,35, i la taxa de dessalinització del sistema mostrarà una disminució observable en 1-2 setmanes.
Taxa de recuperació i polarització de concentració:
Per a un sistema d'osmosi inversa d'una -etapa, augmentar la taxa de recuperació del 50% al 75% augmenta el valor de l'element de membrana final aproximadament entre 0,1 i 0,15. És per això que els sistemes solen dissenyar-se amb dues o fins i tot tres etapes, amb la taxa de recuperació de cada etapa controlada al 40%-50%. La taxa de recuperació global s'incrementa afegint més etapes, en lloc d'esprémer la taxa de recuperació d'una sola etapa.
Molts accidents operatius es produeixen perquè, sota la idea de "produir més aigua", s'incrementa la taxa de recuperació del 75% al 80%, amb la qual cosa el valor final supera l'1,5, provocant una escalada d'alarmes en un mes.