Вече споменахме, че обратната осмоза се отнася към мембранните масообменни процеси с напречен поток. Както във всяко хидродинамично движение, течността, прилепнала към повърхността на мембраната, се движи по-бавно от основния поток. Докато основният поток може да бъде турбулентен, тънкият слой течност в близост до мембраната остава ламинарен. Този слой се нарича пограничен слой. При преминаването на вода през мембраната (т.е. в момента на разделяне на потока на началната вода на пермеат и концентрат), почти всички йони от солите остават в пограничния слой близо до повърхността на мембраната. Този ефект е наречен концентрационна поляризация и се характеризира с коефициент на концентрационната поляризация:
β = Cв / Cм
където, Cм е концентрацията на сол в основния поток; Cв - концентрацията на сол в пограничния слой.
Така в пограничния слой концентрацията на соли става по-висока отколкото в основния поток. Следователно, поради възникналия градиент на концентрациите, йоните на солите започват да дифундират обратно към основния поток. Ефектът на концентрационна поляризация, при който се увеличава концентрацията на соли на повърхността на ОО-мембрана, довежда до увеличение на осмотичното налягане върху нея, което намалява относителната производителност на мембраната по отношение на пермеата. Това намаление може да се оцени чрез следното уравнение:
Jw = A∙(ΔP - β∙Δπ)
В Таблица 1 са представени данни за влиянието на ефекта от концентрационната поляризация върху относителната производителност и селективността на ОО-мембрана при различно съдържание на сол във входящата вода - TDS (2000, 5000 и 35000 мг/л) и начални стойности: относителна производителност от 34 л/м2∙ч (20 GFD) и разлика в налягането от 2,8 МПа (400 psi) при начална селективност (без ефекта от концентрационната поляризация) - 99%, т.е. β = 1.
Таблица 1
| 2000 мг/л | 5000 мг/л | 35000 мг/л | |||||||
| Относителна производителност, Fw | R,% | Относителна производителност, Fw | R,% | Относителна производителност, Fw | R,% | ||||
| л/м2.час | GDF | л/м2.час | GDF | л/м2.час | GDF | ||||
| β=1,0 | 34.00 | 20.0 | 99.0 | 34.00 | 20.0 | 99.0 | 34.00 | 20.2 | 99.0 |
| β=1,1 | 33.83 | 19.9 | 98.9 | 33.60 | 19.8 | 98.9 | 31.11 | 18.3 | 98.8 |
| β=1,5 | 33.15 | 19.5 | 98.5 | 31.96 | 18.8 | 98.4 | 19.21 | 11.3 | 97.3 |
| β=2,0 | 32.30 | 19.0 | 97.9 | 29.75 | 17.5 | 97.7 | 4.25 | 2.5 | 84.0 |
Концентрационната поляризация не може да бъде напълно отстранена, но ефектът от нея може да се намали чрез намаляване на дебелината на граничния слой. Това се постига чрез увеличаване на скоростта на потока по цялата повърхност на мембраната или чрез поставяне на различни конструкционни елементи по пътя на движението на водния поток, които биха турбулизирали този поток (така наречените турбулентни вставки).
За преодоляване на възникването на ефекта от концентрационната поляризация при експлоатацията на системи винаги трябва да се спазват препоръките на производителите на ОО-мембрани относно минималния поток и максималното извличане на пермеат (изход на пермеата), особено когато става въпрос за десалинация на вода с високо съдържание на сол или освежаване на морска вода. Мнозинството производители на ОО-мембрани предоставят софтуер за изчисляване на обратноосмотичните системи с цел намаляване на въздействието на концентрационната поляризация и осигуряване на максималното извличане на пермеат (изход на пермеата).
Намаляването на потока на филтрата може да бъде предизвикано от няколко причини - концентрационна поляризация, адсорбция, образуване на гелов слой и засмукване на порите. Всички тези фактори създават допълнително съпротивление на преминаването през мембраната. Обемът на тези ефекти в общото съпротивление при преминаването през мембраната главно се определя от типа на мембранията и свойствата на филтрираната среда, подавана на мембраната. На Фиг.1 са схематично представени всички видове допълнителни съпротивления, които възникват на мембраната.
В идеалния случай на скоростта на потока на филтрата би трябвало да се отрази само мембранното съпротивление Rm. Въпреки това, ако мембраната пропуска предимно някой от компонентите и в някои случаи напълно задържа разтворените вещества, това води до натрупване на молекули, които не могат да проникнат през мембраната, близо до нейната повърхност. Така в близост до мембраната се образува висококонцентриран слой на разтворени вещества, който препятства преминаването. Това съпротивление се нарича съпротивление на концентрационната поляризация Rcp.
Поляризационни явления се наблюдават във всички мембранини процеси и съпътстват всички процеси на разделение. С течение на времето концентрацията на разтворените вещества, които се натрупват на повърхността на мембраната, може да стане много висока и да предизвика образуване на гелоподобен слой. Този слой (дори много тънък) създава значително допълнително съпротивление на потока на входящата течност (Rg), понякога водещо до пълно прекъсване на процеса на разделение. Такова явление е много характерно за високомолекулярните органични вещества (например, разтвори на протеини). Образуването на гелоподобни наслагвания на повърхността на мембраната може да се счита характерно при някои малоразтворими соли в резултат на тяхната концентрация на повърхността на мембраната. Такива явления се срещат често при обратноосмотичната филтрация на солени води от дълбоки артезиански кладенци (наслагвания от нискоразтворими соли на калций, магнезий (например, карбонати или сулфати).
При порестите мембрани някои компоненти могат да проникнат вътре в мембраната и да блокират порите. Това допълнително съпротивление се нарича съпротивление на блокираните пори Rр. И, накрая, съпротивлението може да бъде причинено от адсорбционната способност на материала на мембраната, Ra. Адсорбцията може да се случва както на повърхността на мембраната, така и на стените на порите. Обикновено приносът на този фактор за увеличаване на общото съпротивление е незначителен (изключение правят процесите на разделение на високомолекулярни вещества с асиметрична структура и индуциран диполен момент).
Намаляването на скоростта на филтрацията негативно влияе на технико-икономическите показатели както на всяка мембранна операция, така и на работата на цялата инсталация. Затова е необходимо предприемане на определени мерки за отстраняване на причините, довеждащи до този проблем. За това ще стане дума по-нататък.
