Desalinizzazione dell’acqua mediante sistemi di evaporazione a vuoto

Classificazione

Le tecnologie impiegate ad oggi nei processi di dissalazione dell’acqua possono essere classificate in base a diversi criteri, principalmente:

1. Cambio di fase dell’acqua da trattare.
2. Tipo di energia.
3. Processo impiegato.

In base a questi criteri di classificazione, le principali tecnologie associate si dividono in:

Tecnologie di evaporazione vs tecnologie di filtrazione

Attualmente esistono piccole centrali di evaporazione per dissalare acqua di mare o acqua di pozzi salmastri, che consumano piccole quantità di energia elettrica, ottenibile tramite mulini a vento, pannelli fotovoltaici o altre forme di energia elettrica rinnovabile.

Nei processi di evaporazione per la ottenimento di acqua potabile a partire da acqua salata, il consumo energetico non dipende dalla salinità dell’acqua da trattare, per cui sono più vantaggiosi da questo punto di vista, quanto più salina è l’acqua in ingresso, rispetto ai processi di osmosi inversa.

Confrontando entrambe le tecnologie, si può affermare che quelle di evaporazione sono molto efficaci per la produzione di acqua potabile da acqua salata, indipendentemente dalla salinità dell’acqua in ingresso, per quanto riguarda il basso consumo energetico, paragonabile solo all’osmosi forzata (tecnologia di filtrazione), i cui consumi energetici sono anch’essi molto bassi.

In questo articolo si intende fare una panoramica generale delle diverse tecnologie relative a entrambi i processi, nonché cercare di raccogliere l’evoluzione e le prospettive delle stesse, iniziando dai processi di evaporazione precursori delle tecnologie di dissalazione.

Processi di dissalazione mediante evaporazione

Le origini delle tecnologie di dissalazione risalgono all’epoca di Aristotele (384-322 a.C.) quando egli realizzò il primo evaporatore conosciuto e nelle sue opere parlava della dissalazione dell’acqua di mare.

Prima dell’apparizione e industrializzazione delle membrane di osmosi inversa, intorno alla metà degli anni ’60, il metodo per dissalare acqua di mare e renderla potabile era esclusivamente mediante apparecchiature di evaporazione che consumavano una notevole quantità di energia.

Compressione Termica del Vapore (TCV)

La compressione termica del vapore ottiene l’acqua distillata con lo stesso processo di una distillazione a multiplo effetto, ma utilizza una fonte di energia termica diversa: si tratta dei cosiddetti compressori termici (o termocompressori), che consumano vapore a media pressione proveniente dall’impianto di produzione elettrica (se si dispone di un impianto duale, altrimenti da un vapore di processo ottenuto appositamente) e che aspira parte del vapore generato nell’ultima fase a bassissima pressione, comprimendolo e generando un vapore a pressione intermedia rispetto alle precedenti, adatto per essere fornito alla prima fase, che è l’unica che consuma energia nel processo.

Il rendimento di questo tipo di impianti è simile a quello degli impianti MED (distillazione a multiplo effetto), tuttavia la loro capacità dissalatrice può essere molto maggiore grazie a una maggiore adattabilità nella presa di vapore dagli impianti produttori. Spesso sono considerati lo stesso processo, ma qui saranno trattati separatamente poiché il consumo energetico dell’impianto è effettuato da apparecchiature diverse.

Distillazione a Multiplo Effetto (MED)

Nei processi MED, l’acqua da trattare passa attraverso una serie di evaporatori collegati in serie. Il vapore di una delle celle viene utilizzato per evaporare l’acqua della successiva mentre l’apporto di energia primaria avviene sulla prima delle fasi.

Questo tipo di impianti è di dimensioni medie ed è particolarmente indicato nei casi in cui si possano sfruttare calori residui provenienti da impianti di cogenerazione, turbine…

Distillazione istantanea (MSF)

L’acqua da dissalare viene riscaldata a bassa pressione, il che permette un’evaporazione istantanea e irreversibile, ripetendo questo processo in successive fasi in cui la pressione diminuisce secondo diverse condizioni.

È indicato per acque con elevata salinità. Lo è anche per acque a temperature più alte e con maggiore contaminazione. Il principale svantaggio degli impianti MSF è l’alto consumo energetico.

Attualmente esistono impianti che combinano la produzione di energia elettrica da campi solari con la produzione di acqua potabile da impianti di evaporazione tipo flash.

Compressione meccanica del vapore (CMV)

Gli evaporatori al vuoto a compressione meccanica del vapore (CMV) evaporano il liquido, in questo caso l’acqua salata, su un lato della superficie di scambio, e comprimono il vapore abbastanza da farlo condensare sull’altro lato, mantenendo così il ciclo di distillazione dell’acqua, compensando le perdite del processo e l’aumento della temperatura di ebollizione dell’acqua salata rispetto a quella pura.

Questi piccoli apparecchi sono molto più affidabili e semplici da operare rispetto agli impianti di osmosi inversa e richiedono quasi nessuna manutenzione, il che li rende ideali per fornire acqua dolce a piccoli nuclei abitati, zone remote, isole, ecc.

Il consumo specifico di questi impianti è inferiore a quello degli altri processi di distillazione: normalmente il consumo elettrico equivalente è intorno a 10 kWh/m3. Il limite maggiore di questa tecnologia è la dimensione massima dei compressori volumetrici impiegati. La loro capacità massima non consente produzioni elevate di acqua dissalata.

Altre alternative di evaporazione: evaporazione dell’acqua al vuoto

Un altro modo per ottenere acqua potabile proveniente dal mare o da fonti salmastre è tramite evaporatori di acqua al vuoto, che sfruttano fonti di calore residuo provenienti da circuiti di raffreddamento di motori di cogenerazione. Ciò permette di incrementare la percentuale di recupero energetico e raggiungere gli obiettivi minimi per poter incassare le tariffe per l’energia venduta alla rete.

Processi di dissalazione mediante filtrazione

Non fu fino a dopo la Seconda Guerra Mondiale che iniziarono a costruirsi i primi impianti dissalatori.

Osmosi Forzata

Approfondendo il campo delle applicazioni industriali, in cui l’osmosi inversa gode di un’egemonia chiara per la sua efficacia, intorno a essa esiste una serie di tecniche complementari che in situazioni specifiche possono persino migliorarne le prestazioni. È il caso dell’osmosi forzata, in cui l’elevata pressione osmotica creata dall’aggiunta di un composto facilmente separabile è la forza motrice del flusso attraverso la membrana semipermeabile. Produce acqua dissalata e si svolge a pressioni molto basse e a temperatura ambiente, il che provoca un consumo energetico molto basso.

Questa tecnologia presenta un’elevata efficienza energetica e in alcuni casi può essere una grande concorrente dell’osmosi inversa. Si tratta di una tecnica con un futuro promettente.

Distillazione a membrane

Questa tecnologia è relativamente recente e si presenta come una soluzione per quelle miscele difficili da separare, in cui la combinazione della differenza di pressioni di vapore e della diversa permeabilità attraverso una membrana semipermeabile rende la separazione efficace e praticabile.

Entrambe le tecnologie completano l’osmosi inversa e spianano la strada nella progettazione del trattamento ottimale in numerose industrie.

Osmosi Inversa (RO): Attualità e Prospettive

Nel 1960, all’Università della California fu costruita la prima membrana di osmosi inversa, in acetato di cellulosa, capace di impedire il passaggio dei sali e permettere il passaggio di un flusso d’acqua ragionevole. A partire da questa membrana di base, la tecnologia non ha smesso di evolversi per ottenere una maggiore efficienza energetica e un minor costo operativo.

Attualmente questa tecnologia è impiegata per la dissalazione di acque salmastre e di acqua di mare secondo i seguenti dati generali di funzionamento:

• Acque salmastre: La salinità di questo tipo di acque è di 2000 mg/L – 10000 mg/L. Nel loro trattamento si utilizzano pressioni da 14 bar a 21 bar per ottenere coefficienti di rifiuto superiori al 90% e ottenere acque con concentrazioni saline inferiori a 500 mg/L, che sono i valori raccomandati dall’OMS come condizione di potabilità. Gli impianti di trattamento utilizzano moduli di membrane avvolte a spirale. Si stima che i costi di capitale di questo tipo di impianti siano dell’ordine di 0,25 $US/L di acqua trattata/giorno, con costi operativi dello stesso ordine.
• Acqua di mare: A seconda della zona geografica, la salinità di questo tipo di acque è di 30000 mg/L – 40000 mg/L. Per ottenere condizioni di potabilità si utilizzano membrane di poliamide di tipo fibra cava che permettono di raggiungere coefficienti di rifiuto superiori al 99,3% con pressioni di lavoro da 50 bar a 70 bar. I costi operativi di questo tipo di impianti di trattamento sono stimati in 1 – 1,25 $US/L di acqua trattata/giorno, il che rende questo sistema di trattamento non competitivo rispetto ad altri sistemi come i processi di evaporazione multistadio, se le necessità di acqua superano i 40000 m3 di acqua trattata/giorno.

Sfide della dissalazione

L’efficienza energetica non può aumentare indefinitamente, poiché termodinamicamente esiste un costo energetico minimo che non può essere ridotto. Questo dipende dalle caratteristiche fisico-chimiche dell’acqua da dissalare, dalla percentuale di recupero del processo e dalla salinità. Così, teoricamente, il consumo energetico minimo necessario per dissalare acqua di mare con una salinità di 35 g/L e con un recupero standard del 45% è 1,97 kWh/m³.

Con la migliore tecnologia attualmente disponibile, il consumo minimo industriale è tra 2,51 e 2,74 kWh/m³ a seconda che si utilizzino turbine Pelton o camere isobariche – più efficienti – per il recupero della pressione. Alla luce di questi valori, si osserva che i margini disponibili per ridurre i consumi energetici sono ormai molto ridotti.

Attualmente, si possono costruire impianti dissalatori con un consumo energetico nella fase di osmosi di 2 kWh/m³, con un indice di recupero del 45%, che corrisponderebbe a un consumo globale di 2,5 kWh/m³. Un fattore importante per mantenere sotto controllo il consumo energetico nella dissalazione è impedire l’incrostazione delle membrane (fouling), che è al centro degli obiettivi di numerose linee di ricerca. Il fouling influisce direttamente sulle prestazioni energetiche, sulla durata delle membrane e sul rapporto di produzione dell’acqua.

Per continuare a ridurre il consumo energetico, si escludono progressi nelle apparecchiature ausiliarie alle membrane e nei circuiti idraulici, poiché praticamente non dispongono di margini di miglioramento. Le linee di ricerca più promettenti si concentrano sulla riduzione delle pressioni di lavoro senza diminuire il flusso di permeato. I principali produttori di membrane stanno lavorando in questa direzione e già esistono membrane con un funzionamento molto soddisfacente a una pressione totale di 55 atm, invece delle 70 atm utilizzate fino a poco tempo fa.

Il futuro a medio termine è preoccupante, poiché le riserve di acqua dolce saranno sempre meno affidabili e meno disponibili. Si calcola che nel 2016 l’1% della popolazione mondiale si rifornisca di acqua dissalata e che nel 2025 questa percentuale raggiungerà il 14%. Di fronte a questo scenario, i progressi nella riduzione del consumo energetico nella dissalazione permetteranno la proliferazione della costruzione di impianti dissalatori basati sull’osmosi inversa in tutto il mondo.

Il consumo energetico dipende fortemente dalla salinità dell’acqua da trattare, per cui sarà necessario dare priorità alle fonti da cui ottenere acqua dolce. Il futuro passa inevitabilmente dalla riutilizzazione delle acque reflue, prima, e dalla dissalazione delle acque salmastre interne, poi. La dissalazione dell’acqua di mare dovrà essere l’ultima risorsa.

In Israele, paese all’avanguardia nell’uso efficiente dell’acqua e delle tecnologie idriche, si riutilizza l’80% delle acque reflue.

Futuro della dissalazione

Un’alternativa economica e che attualmente si sta iniziando a considerare per l’implementazione consiste nel trattamento mediante osmosi inversa delle acque reflue urbane, già depurate, per la loro iniezione in acquiferi sotterranei. Il ricarico di questi mediante questa tecnica è rapido e controllato, permettendo che successivamente la potabilizzazione di quest’acqua non sia complessa. In Spagna, il riutilizzo delle acque reflue urbane per uso potabile, sebbene tecnicamente possibile, non è consentito dalla legislazione. L’unica eccezione è proprio se l’acqua reflua trattata mediante osmosi inversa viene iniettata precedentemente in un acquifero sotterraneo prima della potabilizzazione.

Il rapporto 2014 delle Nazioni Unite sullo sviluppo dell’acqua nel mondo attesta che esistono più di 16.000 impianti dissalatori distribuiti in tutto il mondo in oltre 150 paesi, con una capacità di produzione che potrebbe raddoppiare entro il 2020. Esistono progetti di ricerca intorno all’osmosi inversa che fanno pensare che: (1) questa tecnica rimarrà nei prossimi 10 anni la tecnologia di riferimento per la produzione di acqua dolce con alcuni miglioramenti, alcuni sostanziali, e (2) alcuni progetti di ricerca sono molto promettenti e forniranno risultati utili e preziosi che permetteranno di ridurre ulteriormente i costi energetici e ambientali, oltre che economici.

Tra i progetti di ricerca più promettenti per nuove tecnologie di dissalazione si trovano i seguenti:

• Tecnologia ReFlex della compagnia Desalitech (USA)

Questa tecnologia si basa su un sistema paragonabile a un sistema di osmosi inversa convenzionale che opera in batch. La percentuale di recupero è determinata dalla frequenza delle fasi di spurgo ordinate da un software specifico, invece che dal design meccanico e dal numero di fasi come in un sistema di osmosi inversa convenzionale. Il sistema ReFlex inizia effettuando batch a bassa pressione e la incrementa gradualmente man mano che la concentrazione aumenta, fino a raggiungere il grado di recupero indicato. Questo funzionamento fa sì che la pressione media sia inferiore alla pressione costante del sistema convenzionale. Inoltre, la pressione dello spurgo è minima, a differenza del sistema convenzionale. Mediante questo tipo di operazione, il consumo di energia rispetto al sistema convenzionale si riduce del 20-35%.

• Tecnologia della compagnia IDE Technologies (Israele)

IDE Technologies ha sviluppato membrane da 16” in configurazione verticale, riducendo così recipienti a pressione, collettori, apparecchiature di controllo e riducendo le dimensioni dell’impianto. Con questa tecnologia si costruiscono impianti molto compatti ed è particolarmente importante quando si tratta di progettare impianti dissalatori di grande capacità. Con questa tecnologia avanzata, questa azienda ha progettato e costruito l’impianto dissalatore più grande e avanzato al mondo fino ad oggi, a Sorek (Israele), con una capacità di 624.000 m³/giorno.

• Membrane di ossido di grafene, Università di Berkeley (USA)

Un gruppo di ricercatori dell’Università di Berkeley (USA) ha progettato e costruito una membrana di ossido di grafene perforata con uno spessore di un atomo, che rende possibile la dissalazione con una minima parte del costo originato dall’osmosi inversa convenzionale. I pori possono essere manipolati per variare la permeabilità della membrana. Se confermata la sua applicazione su scala industriale, rivoluzionerà i sistemi attuali di osmosi inversa e ridurrà significativamente i costi economici di esercizio.

I miglioramenti innovativi introdotti nell’osmosi inversa, frutto della ricerca, fanno sì che questa tecnologia sia il riferimento per l’eliminazione dei sali a breve e medio termine, sia per la produzione di acqua per il consumo che a livello industriale. È da sottolineare l’idoneità di questa tecnologia per quelle applicazioni industriali basate sul concetto di scarico zero.

Per tutto quanto esposto, in un futuro prevedibile l’osmosi inversa – con le tecnologie associate – continuerà a essere la prima opzione per la separazione dei sali, sia nella dissalazione dell’acqua per il consumo umano che per le varie applicazioni industriali. Attualmente, il costo dell’acqua dissalata per il consumo umano è il doppio di quello dell’acqua dolce superficiale. Ma questa sarà sempre più scarsa e meno affidabile. Si prevede che nel 2025 i costi della dissalazione eguaglieranno i costi di estrazione dell’acqua dolce.