Nguyên lý thiết kế của thiết bị khử mặn nước biển dựa trên tính thấm có chọn lọc của màng bán thấm. Dưới áp suất cao, nước biển bị đẩy qua màng thẩm thấu ngược. Các phân tử nước đi qua các lỗ màng để tạo thành nước ngọt, trong khi các ion muối và các tạp chất hòa tan khác được giữ lại và thải ra dưới dạng nước muối đậm đặc. Do đó, mấu chốt của thiết kế hệ thống là thiết lập áp suất vận hành đủ cao (thường cao hơn nhiều so với áp suất thẩm thấu của nước biển) để khắc phục xu hướng thẩm thấu tự nhiên và đạt được quá trình tách ngược.
Thiết bị khử mặn nước biển thường bao gồm bộ phận tiền xử lý, bộ phận điều áp, bộ phận tách màng và bộ phận sau xử lý. Phần tiền xử lý loại bỏ chất rắn lơ lửng và chất hữu cơ thông qua lọc cát, siêu lọc hoặc định lượng hóa chất để ngăn ngừa tắc nghẽn màng. Bộ điều áp được cấp nguồn bằng một-bơm áp suất cao. Bộ phận tách màng là cốt lõi, sử dụng nhiều bình áp suất được kết nối nối tiếp và song song để đạt được quy trình xử lý ở quy mô lớn. Sau{7}}xử lý được dùng để điều chỉnh độ pH, khoáng hóa hoặc khử trùng, đảm bảo nước sản xuất đáp ứng tiêu chuẩn nước uống.
Hệ thống khử mặn nước biển đặc biệt chú trọng đến việc phục hồi năng lượng và cải thiện hiệu quả. Ví dụ, một thiết bị thu hồi năng lượng (ERD) được sử dụng để thu hồi năng lượng áp suất từ nước muối đậm đặc nhằm giảm mức tiêu thụ năng lượng tổng thể. Đồng thời, bằng cách tối ưu hóa việc sắp xếp màng, kiểm soát tốc độ thu hồi và giảm tắc nghẽn màng, độ ổn định vận hành và hiệu quả kinh tế của hệ thống có thể được cải thiện hơn nữa. Nhìn chung, thiết kế của thiết bị khử mặn nước biển thẩm thấu ngược về cơ bản là một "hệ thống tách chọn lọc được điều khiển bởi áp suất cao", có tính đến chất lượng nước, mức tiêu thụ năng lượng và độ ổn định hoạt động lâu dài.