Filtrazione mediante membrane per il trattamento delle acque reflue

Vantaggi e svantaggi

Tra i processi che più sono evoluti negli ultimi decenni vi sono quelli di filtrazione tramite membrana. In generale, questi consistono nel forzare il passaggio del liquido da filtrare attraverso una membrana posta su un supporto solido.

Funzionano perché determinate tipologie di membrane permettono il passaggio attraverso di esse di particelle con caratteristiche particolari, mentre impediscono il passaggio di quelle che non possiedono le stesse caratteristiche.

La necessità di flussi di permeato sempre maggiori, prodotti a pressioni operative più basse, ha portato a un costante progresso nel design e nella fabbricazione delle membrane.

Le operazioni di separazione mediante membrana sono ampiamente utilizzate e il loro impiego supera i metodi convenzionali per la capacità di produrre separazioni in modo molto efficiente a temperatura ambiente e per il rapporto costo/efficienza. Di seguito vengono descritte le principali vantaggi e svantaggi rispetto ad altre tecnologie:

Vantaggi

• Offrono un’elevata efficienza di separazione dove il fattore chiave è il cut off della membrana.
• Sono processi che possono essere eseguiti a temperatura ambiente e in modo continuo.
• Il consumo energetico non è elevato e non è richiesto l’uso di reagenti chimici (eccetto antincrostanti per la pulizia delle membrane).
• La facilità di combinazione di questa tecnica con altri processi.
• Impianti molto compatti che richiedono poco spazio fisico.

Svantaggi

• Non è una tecnica che elimina il contaminante, ma lo concentra.
• Si genera una corrente di rifiuto/scarto che deve essere trattata correttamente.
• Si deve anche considerare il costo delle membrane e la loro durata. È importante pretrattare l’effluente per prolungare la vita utile delle membrane.
• A seconda dell’applicazione specifica, possono presentarsi problemi di degradazione, incrostazione o polarizzazione della membrana. Problemi che, sebbene risolvibili, complicano e aumentano i costi di esercizio.

Classificazione delle Membrane

Attualmente esistono diverse classi e tipi di membrane, che permettono il passaggio di alcuni soluti o altri in base alla loro natura, carica ionica o dimensione.

In questo articolo ci concentreremo sulla classificazione dei processi di membrana secondo il fattore di separazione.

Fonte: Caratterizzazione strutturale e superficiale di membrane microporose, Laura Palacio Martínez, 1999 – Università di Valladolid

Per dimensione delle particelle

In base alla dimensione delle particelle da separare dal liquido, varierà il tipo di membrana da utilizzare, potendo scegliere tra filtrazione, microfiltrazione, ultrafiltrazione, nanofiltrazione e osmosi inversa.

In tutti questi processi la forza motrice è la pressione. Di seguito sono dettagliate le differenze tra di esse:

Filtrazione

La filtrazione convenzionale utilizza come mezzo filtrante un mezzo poroso formato da materiale granulare (ghiaia, sabbia, antracite, ecc.).

Il liquido da filtrare viene fatto passare attraverso il letto poroso, per gravità o mediante pressione, trattenendo i solidi negli spazi interstiziali tra le particelle che costituiscono il letto filtrante.

L’alternativa alla filtrazione mediante letti porosi è l’utilizzo di filtri formati da agglomerati di fibre sintetiche di policarbonato o cellulosa. In base al materiale utilizzato e alla sua disposizione, il diametro medio del poro del filtro varia, essendo questo il parametro che determina la dimensione minima delle particelle che verranno trattenute (cut off o valore di taglio del filtro).

Questi filtri sono ripiegati all’interno di una cartuccia e sono in grado di trattenere particelle di dimensione superiore a 10 mm (particelle di sabbia, polvere fine, ecc.). Permettono di lavorare a densità di flusso da 4 a 8 m³/(m²·h), che, sebbene le densità di flusso dei filtri granulari siano simili, questi ultimi richiedono molto più spazio fisico per offrire la stessa superficie di filtrazione.

Tuttavia, i filtri granulari possono essere sottoposti a lavaggi controcorrente, molto efficaci. Pertanto, per filtrare un effluente con un alto contenuto di solidi, l’opzione più conveniente sono i filtri granulari. Quando il contenuto di solidi è basso o moderato, le cartucce di filtrazione sono più competitive e richiedono meno spazio.

Microfiltrazione

Le membrane di microfiltrazione separano particelle di dimensione compresa tra 0,1 mm e 10 mm (batterie, polvere di carbone molto fine, amianto, ecc.). Queste membrane possono essere in nylon, polietilene, polipropilene, ecc.

Ultrafiltrazione

Le membrane di ultrafiltrazione trattengono il passaggio di particelle di dimensione compresa tra 1 nm e 100 nm (0,1 mm), che corrisponde alla dimensione di virus, colloidi, macroproteine, endotossine, ecc.

Il modo di funzionamento è equivalente a quello della microfiltrazione: l’insieme delle membrane è posto su un supporto e una pompa aumenta la pressione del liquido affinché questo passi attraverso la membrana.

Nanofiltrazione

Mentre con la microfiltrazione e l’ultrafiltrazione si separano particelle in sospensione nel liquido, mediante la nanofiltrazione si possono separare molecole disciolte nel liquido (zuccheri, proteine, molecole di colorante, ecc.).

Le membrane di nanofiltrazione hanno un valore di taglio compreso tra 0,1 nm e 1 nm, dimensione tipica della maggior parte delle molecole che non hanno un peso molecolare elevato.

Vengono trattenuti anche ioni come Ca²⁺ e Mg²⁺, il che rende possibile utilizzare queste membrane per eliminare la durezza dell’acqua senza dover dosare reagenti chimici.

Osmosi inversa

L’osmosi inversa è un fenomeno basato sull’equilibrio che si stabilisce ai due lati di una membrana semipermeabile che separa due volumi di liquido con diversa concentrazione salina. Il solvente diffonde attraverso la membrana e la attraversa, mentre gli ioni disciolti non possono farlo.

Naturalmente, il solvente passerebbe dalla soluzione meno concentrata in sali a quella più concentrata, per equalizzare la pressione osmotica (osmosi). Tuttavia, se si applica pressione sul lato della soluzione più concentrata, il flusso attraverso la membrana si inverte e si produce un flusso netto di solvente che attraversa la membrana dalla soluzione più concentrata a quella meno concentrata. La pressione da applicare dipende dalla concentrazione di sali nella soluzione concentrata.

Nella microfiltrazione, ultrafiltrazione e nanofiltrazione tutto il fluido attraversa la membrana mentre i solidi rimangono trattenuti sulla superficie della membrana.

Nel caso dell’osmosi inversa, poiché man mano che la soluzione aumenta la concentrazione di sali, la pressione applicata deve essere maggiore, il flusso è tangenziale rispetto alla membrana. In questo modo, parte del solvente attraversa la membrana e l’altra parte trascina verso l’esterno tutti i sali.

Così, esiste una portata di alimentazione e due effluenti, quello di permeato e quello di rifiuto, dove si concentrano tutti i sali disciolti, molecole e particelle contenute nell’alimento.

A seconda del tipo di membrana utilizzata, della pressione di esercizio e delle caratteristiche dell’effluente da trattare, varia la proporzione tra la portata di permeato e quella di alimentazione, variando tra il 50 e il 75%.

Per prolungare la vita delle membrane di osmosi inversa e nanofiltrazione è consigliabile pretrattare l’effluente, normalmente mediante ultrafiltrazione.

Numerosi settori industriali utilizzano l’osmosi inversa per produrre acqua di elevata purezza, come nel caso dell’industria farmaceutica, l’industria alimentare, le centrali nucleari, l’industria elettronica, l’industria biotecnologica, ecc.

In applicazioni ambientali si utilizza anche l’osmosi inversa per ridurre e/o concentrare al massimo gli effluenti residui, processo seguito generalmente da una fase di evaporazione-concentrazione sotto vuoto per completare la concentrazione del residuo. L’osmosi inversa viene inoltre impiegata per affinare ulteriormente l’acqua condensata in processi di evaporazione in cui si concentrano residui.

Come risultato standard, l’osmosi inversa restituisce l’80% di acqua depurata e un rifiuto del 20%.

Per carica delle particelle

Elettrodialisi

Consiste nell’eliminazione di ioni caricati elettricamente e disciolti nell’acqua. Per effettuare questa eliminazione si introducono nell’acqua di alimentazione un paio di elettrodi con carica elettrica opposta in modo che gli ioni disciolti vengano attratti dagli elettrodi di segno opposto al proprio.

Con questo procedimento si riesce a spostare gli ioni da una parte all’altra della soluzione.

È fondamentale l’uso alternato di membrane selettive anioniche e cationiche affinché l’acqua di alimentazione perda ioni negativi e positivi dopo il passaggio nella zona di separazione.

L’interessante è disporre le membrane in modo alternato in modo che in alcuni canali si concentrino i soluti, in un’acqua chiamata concentrato, e in altri canali scorra l’acqua di alimentazione che perde gradualmente i suoi contaminanti fino a uscire dal processo con una concentrazione di sali molto bassa.

Elettrodialisi Reversibile

In questo caso si alterano periodicamente le polarità degli elettrodi in modo che i flussi d’acqua cambino temporaneamente direzione, passando a ricevere acqua depurata quei condotti che trasportavano il concentrato e viceversa.

Questo metodo elimina il rischio di formazione di precipitati, incrostazioni e ostruzioni delle membrane, poiché il cambio periodico del senso del flusso dell’acqua aiuta nella pulizia delle condotte e delle membrane, oltre a prevenire la formazione di fanghi e altri depositi nell’impianto.

Configurazione delle Membrane

Esistono apparecchiature commerciali con diverse disposizioni delle membrane, per adattarsi a differenti condizioni.

Così, possiamo trovare le seguenti configurazioni:

Cartuccia di membrane

Le membrane sono piegate attorno al collettore di permeato. Sono sistemi compatti, ideali per trattare soluzioni con bassa concentrazione di solidi in sospensione e sono solitamente utilizzate con membrane di filtrazione e microfiltrazione.

Membrane a spirale

Un insieme di fogli di membrana, separati da un supporto poroso, è avvolto attorno a un tubo che funge da collettore di permeato. È un design molto compatto, presenta un buon rapporto costo-efficienza ed è adatto per applicazioni ad alto volume.

Generalmente si utilizza con membrane di nanofiltrazione e osmosi inversa.

Membrana tubolare

Le membrane, di forma tubolare, sono collocate all’interno di un involucro rigido. L’alimentazione entra all’interno delle membrane e il flusso è verso l’esterno. A causa del diametro del tubo della membrana, da 5 a 10 mm, non è probabile che si verifichino problemi di intasamento. È adatta per effluenti con elevata concentrazione di solidi in sospensione. Viene solitamente utilizzata per applicazioni di ultrafiltrazione.

Filtro a piastra e telaio

Somiglia fisicamente a un filtro a pressa. Le membrane sono posizionate sui telai separate da piastre e l’alimentazione scorre nello spazio tra le piastre e le membrane. Da un lato della membrana si concentrano i solidi e dall’altro si evacua il permeato.

Questa disposizione si utilizza solo quando l’alimento ha un’elevata viscosità, generalmente in applicazioni delle industrie farmaceutica e alimentare.

Fibra cava

Consiste in un elevato numero di membrane con diametro inferiore a 0,1 mm che costituiscono un fascio all’interno di un involucro.

Viene utilizzata praticamente solo per applicazioni di nanofiltrazione e osmosi inversa per trattare effluenti con bassa concentrazione di solidi.