Vesi virtaa kalvon läpi paineen alaisena, mutta suolat ja orgaaniset aineet eivät pääse läpi ja jäävät loukkuun kalvon pinnalle. Liuenneen aineen "kertymä" kalvon pinnalle on paljon korkeampi kuin bulkkivesivirtaus; tämä on keskittymispolarisaatio. Tämän rajakerroksen muodostumisella on kattava vaikutus järjestelmään.
Käänteisosmoosijärjestelmissä kalvon pinnalla olevan liuenneen aineen pitoisuuden suhde bulkkivesivirtauksen pitoisuuteen määritellään pitoisuuden polarisaatiotekijäksi. Insinöörikäytännössä ohjataan yleensä alle 1.2. Kuitenkin, kun syöttökanava on tukossa tai virtausnopeus laskee, se voi helposti nousta arvoon 1,4 tai jopa 1,5. Tämä tarkoittaa, että suolapitoisuus kalvon pinnalla on 40–50 % korkeampi kuin mittaamamme konsentraatin suolapitoisuus.
Esimerkiksi tyypillisellä murtovedellä, kun bulkkikonsentraattisuolapitoisuus on 5000 mg/L, paikallinen pitoisuus kalvon pinnalla voi saavuttaa 7000-7500 mg/l. Osmoottinen paine on suoraan verrannollinen suolapitoisuuteen – jokaista 1000 mg/l suolapitoisuuden lisäystä kohti osmoottinen paine kasvaa noin 0,07 MPa (0,7 bar).
Pintapitoisuuden nousu 2500 mg/l lisää osmoottista painetta lähes 0,18 MPa (1,8 bar). Murtovesikalvojärjestelmissä, jotka toimivat 1,0–1,2 MPa:n paineella, tämä tarkoittaa, että 15–18 % nettokäyttöpaineesta absorboituu konsentraatiopolarisaatiolla.
Permeaatin virtausnopeuden ja suolanpoistonopeuden kvantifiointi:
Kalvonvalmistajan teknisten ohjeiden mukaan (käyttäen DuPont FilmTec-sarjaa esimerkkinä), kun syöttövirtaus laskee 15 % ja kasvaa 1,2:sta 1,4:ään, järjestelmän permeaatin virtausnopeus laskee 12-18 % vakiopainetilassa. Tämä ei johdu kalvon likaantumisesta, vaan pikemminkin tehokkaasta käyttövoimasta.
Mitä tulee suolanpoistoon, jokaista 0,1 lisäystä kohti NaCl:n läpäisevyys kasvaa noin 20–30 %. Kun normaalin murtovesikalvon suolanpoistonopeus on 99,5 %, permeaatin johtavuus on noin 10-15 µS/cm.
Kun pitoisuuspolarisaatio on vakava, permeaatin johtavuus voi nousta arvoon 30-50 µS/cm. Yksivaiheisessa käänteisosmoosijärjestelmässä, jossa on sekakerros, tämä voi tarkoittaa, että sekakerroksen regenerointisykli lyhenee 72 tunnista alle 24 tuntiin, mikä kaksinkertaistaa hapon ja alkalin kulutuksen.
Riskin mittakaava:
Kalsiumkarbonaatin Langerile-saturaatioindeksi (LSI) on tyypillisesti suunniteltu alle 1,8:ksi (kattilakiven estäjien kanssa). Konsentraatiopolarisaatio lisää pitoisuutta kalvon pinnalla, mikä johtaa todelliseen LSI-arvoon 0,5-1,0 korkeampi kuin bulkkivesivirtaus.
Jäteveden uudelleenkäyttöprojektissa bulkkirikasteen LSI oli 1,6. Kalkkikiven estäjien lisäämisen olisi pitänyt olla suunnittelun mukaan turvallista, mutta käytön aikana päätekalvoelementin paine-ero kasvoi 10 psi:stä 25 psi:iin kolmen kuukauden kuluessa. Dissektiossa paljastui kalsiumkarbonaattikiteitä kalvon pinnalla, mitatun pinnan LSI-arvon ollessa jopa 2,4-2,7, mikä on suora seuraus rajakerroksen pitoisuuden muodostumisesta.
Sulfaattihilse on vielä herkempi. Kalsiumsulfaatin liukoisuustulo (Ksp) on noin 2,4 × 10-5 (25 astetta). Kun pitoisuuspolarisaatiokerroin on 1,4, pinta-ionituote voi helposti ylittää Ksp:n 1,2-1,5 kertaa, mikä johtaa kiteen muodostumiseen. Kun kiteet saostuvat, kemiallinen puhdistus vaatii usein kiertoa 6–8 tuntia tai kauemmin, ja yksi puhdistus voi vähentää suolanpoistonopeutta pysyvästi 0,5–1 %.
Toimintaparametrien ohjausstandardit:
Kalvoelementtien suunnitteluohjeissa lopullinen rikasteen virtausnopeus on ydinohjausindikaattori. 8 tuuman kalvoelementeillä rikasteen virtausnopeus yksikköä kohti on tyypillisesti vähintään 3,6 m³/h.
Kun virtausnopeus putoaa alle 3,0 m3/h, kalvon pinnan leikkausvoima laskee noin 250-300 s-1 arvosta noin 150 s-1, mikä johtaa merkittävään kasvuun rajakerroksen paksuudessa.
Todelliset mittaustiedot osoittavat, että tässä vaiheessa arvo voi hypätä normaalista 1,15-1,2 yli 1,35:een, ja järjestelmän suolanpoistonopeus osoittaa havaittavaa laskua 1-2 viikossa.
Palautumisnopeus ja keskittymispolarisaatio:
Yksivaiheisessa käänteisosmoosijärjestelmässä talteenottonopeuden lisääminen 50 %:sta 75 %:iin lisää lopullisen kalvoelementin arvoa noin 0,1-0,15. Tästä syystä järjestelmät suunnitellaan yleensä kahdella tai jopa kolmella portaalla, jolloin kunkin vaiheen palautusaste on 40–50 %. Kokonaispalautusnopeutta nostetaan lisäämällä useampia vaiheita sen sijaan, että yksittäisen vaiheen talteenottonopeus poistettaisiin.
Monet käyttöonnettomuudet tapahtuvat siksi, että "vettä tuotetaan enemmän" -ajatuksen alla palautumisaste nostetaan 75 prosentista 80 prosenttiin, jolloin loppuarvo ylittää 1,5, mikä johtaa skaalaushälytyksiin kuukauden sisällä.