L’osmosi inversa e le sue diverse applicazioni

Definizione

La osmosi (O) e l’osmosi inversa (RO) sono due fenomeni che si verificano naturalmente all’interno degli esseri viventi.

Ad esempio, tramite l’osmosi, le cellule del nostro organismo, che sono avvolte da una membrana semipermeabile, permettono il passaggio di nutrienti dentro e fuori dalla cellula, favorendo così sia l’incorporazione di nutrienti necessari per il metabolismo cellulare, sia l’espulsione dei rifiuti dello stesso.

In questo articolo ci concentreremo sul processo di Osmosi Inversa (RO), che globalmente consiste nel generare, tramite una membrana permeabile all’acqua, una soluzione acquosa con basso contenuto di sale a partire da un’altra con alto contenuto di sale e che in nessun caso si tratta di un processo di filtrazione attraverso la membrana, come sarebbe il caso della microfiltrazione o dell’ultrafiltrazione, bensì il solvente diffonde attraverso la membrana.

Caratteristiche del processo

La tecnica della RO si è evoluta ampiamente negli ultimi decenni ed è passata dall’essere una tecnologia emergente a un processo consolidato, efficiente e competitivo. Tuttavia, in cosa consiste esattamente l’osmosi inversa? Per rispondere a questa domanda, analizzeremo prima in cosa consiste il processo di osmosi.

Tenendo conto di queste premesse possiamo dire che la osmosi (O) è un’operazione di equilibrio in cui molecole di un solvente sono in grado di attraversare una membrana permeabile per diluire una soluzione più concentrata. Se si dispone di un apparecchio come quello della figura (a) in cui due soluzioni di diversa concentrazione di sale e che si trovano a pressione atmosferica sono separate da una barriera fisica, nel momento in cui si rimuove la barriera che le separa, si produce una diffusione naturale e si eguagliano le concentrazioni di entrambe le soluzioni, momento in cui si raggiunge l’equilibrio. All’inizio, ci sarà un flusso predominante che andrà dalla soluzione più diluita a quella più concentrata, ma man mano che le concentrazioni si eguagliano, i flussi si equilibreranno e il flusso netto sarà zero.

Nella figura (b) si dispone dello stesso montaggio sperimentale, ma ora le due soluzioni sono separate da una membrana semipermeabile, la quale lascia passare attraverso di sé il solvente, ma non gli ioni né molecole di dimensioni maggiori. In questo caso si verifica nuovamente il fenomeno dell’osmosi, il solvente della soluzione più diluita attraversa la membrana verso la soluzione più concentrata.

Invece, gli ioni della soluzione più concentrata, non potendo attraversare la membrana, rimangono confinati. Come risultato di questo trasferimento di solvente da un lato all’altro della membrana, nella parte superiore dei serbatoi si osserva come il livello di entrambe le soluzioni sia variato. Mentre il livello della soluzione più diluita è diminuito, il livello della soluzione più concentrata è aumentato.

Una volta che il flusso si è fermato – figura (c) – e il livello dei due serbatoi non varia più nel tempo, il sistema ha raggiunto l’equilibrio.

La differenza di livelli di liquido tra i due serbatoi genera una pressione idrostatica che equivale esattamente alla pressione osmotica. Infatti, la pressione osmotica si definisce come la pressione idrostatica necessaria per fermare il flusso di solvente attraverso una membrana semipermeabile che separa due soluzioni di diversa concentrazione.

Se quando il solvente sta fluendo dalla soluzione più diluita a quella più concentrata, con l’obiettivo di eguagliare le due concentrazioni, si esercita una leggera pressione sulla soluzione a maggiore concentrazione, il flusso attraverso la membrana diminuisce.

Se si aumenta gradualmente la pressione esercitata, si arriva a un punto in cui il flusso attraverso la membrana è zero, cioè il solvente smette di attraversare la membrana. La pressione esercitata in quel momento è uguale alla pressione osmotica. E se si incrementa la pressione esercitata, il flusso si inverte e il solvente attraversa la membrana nella direzione opposta, cioè passa dal lato della soluzione più concentrata al lato dove si trova la soluzione più diluita. Questo processo prende il nome di osmosi inversa.

Quindi, l’osmosi inversa consiste nel separare il solvente da una soluzione concentrata, che passa attraverso una membrana semipermeabile, mediante l’applicazione di una pressione, la quale deve essere almeno superiore alla pressione osmotica. Più alta è la pressione applicata, maggiore sarà il flusso di permeato attraverso la membrana.

Questo processo è particolarmente interessante per l’elevata selettività delle membrane, che permettono il passaggio del solvente, ma quasi non lasciano passare ioni e molecole di piccole dimensioni disciolte nella soluzione.

Selettività della membrana

L’osmosi inversa è una tecnica molto efficiente e competitiva per separare un solvente dai soluti che contiene disciolti, poiché, applicata all’acqua, la membrana permette la separazione del 95% dei sali disciolti, il che consente la desalinizzazione di acque salmastre o di acque marine.

Le membrane semipermeabili, che lasciano passare selettivamente il solvente e impediscono il passaggio dei soluti, svolgono un ruolo chiave nel processo. Le prime erano fabbricate in acetato di cellulosa, ma successivamente quelle in poliammide hanno sostituito le prime, permettendo di controllare la dimensione dei pori e la permeabilità.

Le membrane sono poco permeabili agli ioni e alle molecole con cariche elettrostatiche; maggiore è la carica, maggiore sarà la ritenzione. Al contrario, i gas disciolti (ossigeno, anidride carbonica, cloro, ecc.) hanno una buona permeabilità, così come le molecole organiche neutre a basso peso molecolare.

Problemi specifici di incrostazione

Il fattore principale che minaccia la produttività della membrana è il suo progressivo incrostamento.

Questo può verificarsi per diversi motivi, i più comuni sono:

1. I depositi sulla superficie della membrana di scaglie o croste di carbonato di calcio, solfato di calcio, silicati complessi, solfato di bario, solfato di stronzio, fluoruro di calcio, ecc., a seconda della composizione dell’alimentazione e come conseguenza del fatto che le concentrazioni di sale nel concentrato possono superare il prodotto di solubilità del sale.
2. I sedimenti di particelle come colloidi, prodotti della corrosione del ferro delle condutture, precipitati di idrossido di ferro, alghe, ecc.
3. L’incrostazione biologica dovuta alla crescita di microrganismi sulla superficie della membrana, poiché alcuni materiali delle membrane, come l’acetato di cellulosa o le poliammidi, possono essere un substrato utilizzabile dai microrganismi.
4. L’incrostazione dovuta a composti organici come oli o grassi presenti nelle acque reflue industriali.

Il metodo di pulizia delle membrane dipende dalle caratteristiche dell’acqua di alimentazione, dal tipo di membrana e dalla natura dell’incrostazione. Come linea guida generale si può procedere alternando periodi di risciacquo delle membrane, facendo circolare le soluzioni detergenti ad alta velocità sulla superficie delle membrane, con periodi in cui le membrane rimangono immerse nelle soluzioni detergenti.

Gli agenti di pulizia abitualmente utilizzati sono:

1. Acidi cloridrico, fosforico o citrico e agenti chelanti come EDTA, per eliminare le croste di precipitati salini, e acido ossalico per eliminare i sedimenti di ferro.
2. Alcalini combinati con tensioattivi per eliminare microrganismi, sedimenti e composti organici.
3. Sterilizzazione delle membrane con soluzioni di cloro per eliminare i microrganismi.

Le successive pulizie finiscono per degradare le membrane. A seconda dell’applicazione, il periodo di vita garantito dal produttore è solitamente di 1 – 2 anni. Con un buon programma di pulizia la vita delle membrane può essere prolungata fino a 3 anni, essendo improbabili periodi di vita di 5 anni.

Generalmente, per prolungare la vita delle membrane si pretratta l’acqua di alimentazione. È comune che, come passaggi preliminari all’osmosi inversa, prima si esegua una filtrazione e poi un’ultrafiltrazione, sempre a seconda della quantità di solidi sospesi presenti nelle acque da trattare.

Applicazioni generali

L’obiettivo degli impianti di RO installati si distribuisce come segue:

• 50 % nella desalinizzazione di acqua di mare e acqua salmastra
• 40 % nella produzione di acqua ultrapura per le industrie elettronica, farmaceutica e di produzione di energia
• 10 % come sistemi di decontaminazione di acque urbane e industriali.

Desalinizzazione di acque salmastre

La salinità di questo tipo di acque è di 2000 mg/L – 10000 mg/L. Nel loro trattamento si utilizzano pressioni di 14 bar – 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 di acque salmastre 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.

Desalinizzazione di 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 in poliammide di tipo fibra cava che permettono di ottenere coefficienti di rifiuto superiori al 99,3 % con pressioni di lavoro di 50 bar – 70 bar.

I costi operativi di questo tipo di impianti di trattamento si stimano 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.

Produzione di acqua ultrapura

La RO permette di ottenere a partire dall’acqua di consumo (concentrazione di solidi disciolti < 200 mg/L) acqua della qualità richiesta nell’industria elettronica.

Il principale problema in questo tipo di impianti è l’incrostazione biologica delle membrane, per cui è necessaria l’installazione di sistemi di sterilizzazione mediante radiazione UV.

Trattamento di acque reflue

Questa applicazione della RO è limitata dagli alti costi operativi dovuti ai problemi di incrostazione delle membrane.

Nel caso delle acque reflue industriali, la RO si utilizza in quelle industrie dove è possibile migliorare l’economia del processo mediante il recupero di componenti preziosi che possono essere riciclati nel processo produttivo: industrie di galvanoplastica e di verniciatura di strutture metalliche, o dove il riutilizzo dell’acqua trattata comporta una riduzione significativa del consumo di acqua, come nell’industria tessile.

Nel caso delle acque urbane, la RO è un trattamento indicato come trattamento terziario, essendo possibile ottenere acqua con una qualità che la renda adatta al consumo, con un costo di 0,5 – 0,75 $US/m3.

Il principale problema per la diffusione di questo tipo di trattamento è la resistenza sociale. Tuttavia, in zone del Giappone e della California, dove esistono limitazioni estreme di acqua, si stanno utilizzando impianti di RO per trattare l’acqua proveniente dal trattamento biologico delle acque domestiche, impiegando l’acqua trattata da RO per la ricarica degli acquiferi.

Applicazioni industriali

Le applicazioni industriali di questa tecnologia sono tanto varie quanto indispensabili. Tra gli usi e le applicazioni più comuni si trovano le seguenti:

Industria alimentare, farmaceutica e simili

Nelle industrie alimentari, farmaceutiche, mediche, cosmetiche, chimiche, elettroniche, biotecnologiche, ecc. si utilizza acqua osmotizzata poiché in una grande varietà di processi è necessaria acqua di alta qualità se non ultrapura. L’acqua osmotizzata è il punto di partenza per l’ottenimento di acqua ultrapura.

Industria produttrice di acqua per consumo umano

In molte parti del mondo non esiste acqua dolce sufficiente o con la qualità necessaria per poter rifornire la popolazione.

Sia che il problema sia di qualità (acque salmastre, acque contaminate da nitrati, metalli, pesticidi, ecc.) sia di quantità (si ricorre alla desalinizzazione di acqua di mare) l’opzione più economica per ottenere acqua adatta al consumo umano è l’osmosi inversa.

Riutilizzo delle acque reflue

Esistono numerosi casi in cui gli effluenti dei processi di trattamento delle acque reflue devono essere trattati per migliorarne la qualità fino a poter essere riutilizzati.

È il caso di quei processi in cui si consuma un grande volume d’acqua, come nell’industria tessile, o quando l’effluente viene scaricato nell’ambiente naturale per ricaricare un acquifero.

È anche il caso di processi in cui si persegue di non generare alcuno scarico liquido (scarico zero) e la totalità degli effluenti viene trattata e recuperata per essere riutilizzata.

Tutte le aree menzionate per l’uso dell’osmosi inversa e le sue applicazioni sono coperte da Condorchem Envitech.