L’osmosi inversa per la dissalazione delle acque

Quando le fonti di approvvigionamento tradizionali (acque superficiali, sotterranee o di sorgente) non sono sufficienti, si ricorre alla dissalazione di acque salmastre (salinità 1.500÷5.000 mg/l) e saline (salinità 25.000÷42.000 mg/l), che può avvenire tramite osmosi inversa.I principali metodi di dissalazione sono:

• scambio ionico, poco frequente perché per avere cicli di funzionamento accettabili richiede grandi volumi di resina;
• elettrodialisi, che consente una dissalazione solo parziale;
• dissalazione termica, solitamente riservata alle acque saline;
• osmosi inversa, che consente una dissalazione spinta.

Concentrandosi sull’ultimo caso, l’osmosi inversa è un trattamento su membrana sotto pressione; i processi di questo tipo possono essere così sintetizzati (Fig. 1):

METODO	PRESSIONE (BAR)	CUT-OFF (DA)	RIMOZIONE SALINITÀ
Microfiltrazione (MF)	<2	50.000÷500.000	No
Ultrafiltrazione (UF)	2÷5	2.000÷80.000	No
Nanofiltrazione (NF)	5÷15	200÷5.000	Parziale
Osmosi inversa (RO)	>15	<100	Spinta

 

Vantaggi dell’osmosi inversa

L’osmosi inversa è il processo a membrana più efficiente (Fig. 2) e consente di ottenere acqua di elevata qualità. In particolare:

• riduce in modo spinto la salinità, sia di acque salmastre che saline, con rendimento ≃97%;
• abbatte tutte le molecole organiche (compresi gli inquinanti tossici), con rendimento ≃99%;
• elimina la carica microbiologica di batteri e virus, con rendimento >99,9%.

Come funziona l’osmosi inversa

Due comparti a diversa concentrazione (Fig. 3), separati da una membrana permeabile all’acqua ma non ai soluti, tendono a portarsi alla stessa concentrazione; questo comporta la nascita di una pressione osmotica, a causa dell’acqua migrata per equilibrare le concentrazioni dei due comparti.

Applicando una pressione maggiore di quella osmotica sul comparto con concentrazione iniziale maggiore, si inverte il flusso d’acqua che attraverserà la membrana, con progressivo aumento delle concentrazioni a monte.

Tra i modelli di permeazione più diffusi si trova quello di soluzione-diffusione, che prevede 2 flussi attraverso la membrana:
Flusso d’acqua ->
Flusso di sali ->

I parametri operativi sono:

• Fattore di recupero (F_R)->rapporto tra portata di acqua depurata e portata grezza (F_R=35÷60% per acque saline, F_R=50÷85%);
• trascinamento salino (T_S) -> rapporto tra salinità in uscita e quella in ingresso.

Nella pratica, si introducono in un secondo momento coefficienti correttivi su temperatura, pressione, ritenzione membrana e passaggio dei sali.

I diversi tipi di membrane per l’osmosi inversa

Le membrane possono essere classificate in modi diversi, come di seguito sintetizzato.

• Tipo di materiale
  • naturali (a base di cellulosa) o sintetiche (poliammide, polietilene, polipropilene, …);
  • organiche o inorganiche (realizzate in modo simile alla ceramica e possono operare in condizioni critiche ma sono fragili e costose).
• Porosità effettiva, determinata:
  • statisticamente;
  • con prove di ritenzione.
• Struttura, che può essere:
  • isotropa, con struttura simmetrica a canali;
  • anisotropa, costituita da un supporto più spesso e uno strato più denso, per ridurre l’ostruzione dei pori (Fig.4);
  • composita, ottenuta abbinando 2 membrane diverse, ottimizzandole per vari scopi.

Moduli a membrana

Le membrane vengono montate in moduli (spesso cilindrici) in cui l’acqua entra parallelamente all’asse ed esce in direzione perpendicolare. Tali moduli possono essere:

• A spirale, costituiti da coppie di membrane distanziate da una rete spaziatrice, che vengono collegate e avvolte intorno a un tubo forato centrale di raccolta (Fig. 5). Sono compatti (possono essere montati in serie o parallelo) ma si intasano facilmente.

• A fibre cave, con struttura a micro-tubi ad U, simile ad uno scambiatore di calore, in cui l’acqua arriva da un tubo centrale ed entra nei tubicini (Fig. 6a-6b). Hanno elevate superfici di scambio e buona durata, ma minore flusso specifico.

• Tubolari, costituiti da tubi porosi rivestiti internamente da membrane; possono essere poi collegati in serie o in parallelo; permettono elevate velocità di flusso, pertanto sono usati in presenza di solidi sospesi.
• Piani con supporto, in cui la membrana è appoggiata a supporti piani separati da griglie di raccolta; tali unità vengono poi collegate verticalmente o orizzontalmente.

Schema del processo di osmosi inversa

Le configurazioni impiantistiche abituali sono:

• Mono-passaggio, in cui l’acqua attraversa una sola volta la membrana (Fig. 7); per aumentare l’efficienza di recupero è possibile collegare in serie più unità operative.

• Alimentazione e spurgo, dove l’acqua trattata, operando in continuo, viene ricircolata fino a raggiungere la concentrazione desiderata; a questo punto inizia lo spurgo, regolato in modo da mantenere costante la concentrazione nel reattore.
• Ricircolo multistadio, consiste in più reattori ad alimentazione e spurgo (caso precedente) posti in serie, in modo da operare a concentrazioni saline crescenti e portate trattate decrescenti, limitando così gli ingombri necessari.

Pretrattamenti necessari prima dell’osmosi inversa

Nei processi a membrana, i flussi di acqua depurata diminuiscono nel tempo in modo significativo, a causa di due problemi comuni:

• Polarizzazione: è l’incremento delle concentrazioni a ridosso della membrana, che aumentano localmente la pressione osmotica. Tale problema, secondario, è reversibile e controllabile aumentando la turbolenza.
• Fouling: rappresenta il problema principale, non controllabile e irreversibile. In estrema semplificazione, può essere descritto come un imbrattamento della membrana che ne compromette in modo irreparabile la funzionalità, a causa di:
  • solidi sospesi e colloidali;
  • macromolecole organiche;
  • microrganismi.

Nella maggior parte dei casi, quindi, per ridurre concentrazioni eccessive di inquinanti nelle acque in arrivo sono necessari dei pre-trattamenti come:

• filtrazione (o micro-filtrazione nei casi peggiori) per eliminare i solidi colloidali;
• disinfezione per ridurre i microrganismi;
• acidificazione+degasazione, precipitazione o impiego di antincrostanti, per evitare eccessive concentrazioni di sali e aerazione o ossigenazione chimica per rimuovere metalli.