Η όσμωση είναι ένα συχνό φαινόμενο στη φύση. Για παράδειγμα, εάν ένα αγγούρι τοποθετηθεί σε αλμυρό νερό, θα χάσει νερό και θα συρρικνωθεί. Η διαδικασία εισόδου των μορίων νερού από το αγγούρι στο διάλυμα θαλασσινού νερού είναι η όσμωση. Εάν μια λίμνη νερού χωριστεί σε δύο μέρη από μια μεμβράνη από την οποία μπορούν να περάσουν μόνο μόρια νερού και χύνεται καθαρό νερό και αλμυρό νερό σε κάθε πλευρά της μεμβράνης στο ίδιο ύψος, μετά από ένα χρονικό διάστημα, το επίπεδο του καθαρού νερού θα μειωθεί, ενώ το επίπεδο του αλμυρού νερού θα αυξηθεί. Αυτό το φαινόμενο της μετανάστευσης μορίων νερού μέσω της μεμβράνης στο αλμυρό νερό ονομάζεται όσμωση. Η άνοδος της στάθμης του αλμυρού νερού δεν είναι ατελείωτη. θα φτάσει σε ένα σημείο ισορροπίας σε ένα ορισμένο ύψος. Η πίεση που αντιπροσωπεύεται από τη διαφορά στα επίπεδα του υγρού κατά μήκος της μεμβράνης σε αυτό το σημείο ονομάζεται οσμωτική πίεση. Το μέγεθος της οσμωτικής πίεσης σχετίζεται άμεσα με τη συγκέντρωση του αλμυρού νερού.
Αφού η παραπάνω συσκευή φτάσει σε ισορροπία, εάν ασκηθεί συγκεκριμένη πίεση στην επιφάνεια της πλευράς του αλμυρού νερού, τα μόρια νερού θα μεταναστεύσουν από την πλευρά του αλμυρού νερού στην πλευρά του καθαρού νερού. Αυτό το φαινόμενο της μετανάστευσης υγρών μορίων από ένα αραιό διάλυμα σε ένα συμπυκνωμένο διάλυμα υπό πίεση ονομάζεται αντίστροφη όσμωση. Εάν προστεθεί άλμη στο ένα άκρο της παραπάνω συσκευής-και ασκηθεί πίεση που υπερβαίνει την οσμωτική πίεση της άλμης σε αυτό το άκρο, μπορούμε να λάβουμε καθαρό νερό στο άλλο άκρο. Αυτή είναι η αρχή του καθαρισμού νερού αντίστροφης όσμωσης. Υπάρχουν δύο βασικοί παράγοντες στα συστήματα αντίστροφης όσμωσης που παράγουν καθαρό νερό: μια επιλεκτική μεμβράνη, που ονομάζεται ημι-διαπερατή μεμβράνη και μια ορισμένη πίεση.
Με απλά λόγια, η ημιπερατή μεμβράνη αντίστροφης όσμωσης έχει πολλούς πόρους, το μέγεθος των οποίων είναι συγκρίσιμο με το μέγεθος των μορίων του νερού. Δεδομένου ότι τα βακτήρια, οι ιοί, οι περισσότεροι οργανικοί ρύποι και τα ενυδατωμένα ιόντα είναι πολύ μεγαλύτερα από τα μόρια του νερού, δεν μπορούν να περάσουν από την ημιπερατή μεμβράνη αντίστροφης όσμωσης και διαχωρίζονται από το νερό που διέρχεται. Μεταξύ των πολλών ακαθαρσιών στο νερό, τα διαλυμένα άλατα είναι τα πιο δύσκολο να αφαιρεθούν. Επομένως, το αποτέλεσμα καθαρισμού του νερού της αντίστροφης όσμωσης συχνά καθορίζεται από τον ρυθμό αφαλάτωσης. Ο ρυθμός αφαλάτωσης της αντίστροφης όσμωσης εξαρτάται κυρίως από την επιλεκτικότητα της ημι-μεμβράνης αντίστροφης όσμωσης. Τα στοιχεία μεμβράνης αντίστροφης όσμωσης υψηλής-επιλεκτικότητας μπορούν να επιτύχουν ρυθμό αφαλάτωσης έως και 99,7%.
