Air mengalir melalui membran di bawah tekanan, namun garam dan bahan organik tidak dapat melewatinya dan terperangkap di permukaan membran. "Akumulasi" zat terlarut pada permukaan membran memiliki konsentrasi yang jauh lebih tinggi daripada aliran air curah; ini adalah polarisasi konsentrasi. Pembentukan lapisan batas ini mempunyai dampak yang komprehensif terhadap sistem.
Dalam sistem osmosis terbalik, rasio konsentrasi zat terlarut pada permukaan membran dengan konsentrasi dalam aliran air curah didefinisikan sebagai faktor polarisasi konsentrasi. Dalam praktik teknik, biasanya dikontrol di bawah 1,2. Namun, begitu saluran umpan diblokir atau laju aliran menurun, dapat dengan mudah melonjak hingga 1,4 atau bahkan 1,5. Artinya konsentrasi garam pada permukaan membran 40%-50% lebih tinggi dibandingkan konsentrasi garam konsentrat yang kita ukur.
Misalnya, pada air payau pada umumnya, ketika konsentrasi garam konsentrat curah adalah 5000 mg/L, konsentrasi lokal pada permukaan membran dapat mencapai 7000-7500 mg/L. Tekanan osmotik berbanding lurus dengan salinitas – untuk setiap peningkatan salinitas sebesar 1000 mg/L, tekanan osmotik meningkat sekitar 0,07 MPa (0,7 bar).
Peningkatan konsentrasi permukaan sebesar 2500 mg/L menghasilkan tambahan tekanan osmotik hampir 0,18 MPa (1,8 bar). Untuk sistem membran air payau yang beroperasi pada 1,0-1,2 MPa, ini berarti 15%-18% tekanan penggerak bersih diserap oleh polarisasi konsentrasi.
Kuantifikasi laju aliran permeat dan laju desalinasi:
Menurut manual teknis produsen membran (menggunakan seri DuPont FilmTec sebagai contoh), dengan penurunan laju aliran umpan sebesar 15% dan peningkatan dari 1,2 menjadi 1,4, laju aliran permeat sistem akan menurun sebesar 12%-18% dalam mode tekanan konstan. Hal ini bukan disebabkan oleh pengotoran membran, melainkan karena gaya penggerak efektif yang diimbangi.
Mengenai laju desalinasi, untuk setiap peningkatan 0,1, permeabilitas NaCl meningkat sekitar 20%-30%. Ketika laju desalinasi membran air payau normal adalah 99,5%, konduktivitas permeat kira-kira 10-15 µS/cm.
Ketika polarisasi konsentrasi parah, konduktivitas permeat dapat meningkat hingga 30-50 µS/cm. Untuk sistem osmosis balik satu tahap dengan unggun campuran, hal ini berarti siklus regenerasi unggun campuran dipersingkat dari 72 jam menjadi kurang dari 24 jam, sehingga konsumsi asam dan alkali menjadi dua kali lipat.
Skala Risiko:
Indeks Saturasi Langerile (LSI) kalsium karbonat biasanya dirancang di bawah 1,8 (dengan penghambat kerak). Polarisasi konsentrasi meningkatkan konsentrasi pada permukaan membran, menghasilkan nilai LSI aktual 0,5-1,0 lebih tinggi dari aliran air curah.
Dalam proyek penggunaan kembali air limbah, LSI konsentrat curah adalah 1,6. Menambahkan penghambat kerak seharusnya aman menurut desain, namun selama pengoperasian, perbedaan tekanan pada elemen membran terminal meningkat dari 10 psi menjadi 25 psi dalam waktu tiga bulan. Pembedahan menunjukkan kristal kalsium karbonat pada permukaan membran, dengan LSI permukaan terukur setinggi 2,4-2,7, akibat langsung dari penumpukan konsentrasi lapisan batas.
Skala sulfat bahkan lebih sensitif. Hasil kali kelarutan (Ksp) kalsium sulfat kira-kira 2,4 × 10⁻⁵ (25 derajat ). Ketika faktor polarisasi konsentrasi adalah 1,4, produk ion permukaan dapat dengan mudah melebihi Ksp sebanyak 1,2-1,5 kali, yang menyebabkan pembentukan kristal. Setelah kristal mengendap, pembersihan kimia sering kali memerlukan sirkulasi selama 6-8 jam atau lebih, dan pembersihan tunggal secara permanen dapat mengurangi laju desalinasi sebesar 0,5%-1%.
Standar kontrol untuk parameter operasi:
Dalam pedoman desain elemen membran, laju aliran konsentrat akhir adalah indikator kendali inti. Untuk elemen membran 8 inci, laju aliran konsentrat per unit biasanya tidak kurang dari 3,6 m³/jam.
Ketika laju aliran turun di bawah 3,0 m³/jam, gaya geser permukaan membran berkurang dari sekitar 250-300 s⁻¹ menjadi sekitar 150 s⁻¹, yang mengakibatkan peningkatan signifikan pada ketebalan lapisan batas.
Data pengukuran aktual menunjukkan bahwa pada titik ini, nilainya dapat melonjak dari normal 1,15-1,2 menjadi lebih dari 1,35, dan laju desalinasi sistem akan menunjukkan penurunan yang dapat diamati dalam waktu 1-2 minggu.
Tingkat Pemulihan dan Polarisasi Konsentrasi:
Untuk sistem osmosis balik satu tahap, meningkatkan laju pemulihan dari 50% menjadi 75% akan meningkatkan nilai elemen membran akhir sekitar 0,1-0,15. Inilah sebabnya mengapa sistem biasanya dirancang dengan dua atau bahkan tiga tahap, dengan tingkat pemulihan setiap tahap dikontrol pada 40%-50%. Tingkat kesembuhan secara keseluruhan dapat ditingkatkan dengan menambahkan lebih banyak tahapan, bukan dengan menekan tingkat kesembuhan hanya pada satu tahap saja.
Banyak kecelakaan operasional terjadi karena, berdasarkan gagasan "memproduksi lebih banyak air", tingkat pemulihan ditingkatkan dari 75% menjadi 80%, sehingga nilai akhir melebihi 1,5, yang menyebabkan peningkatan skala alarm dalam waktu satu bulan.