Elettrodialisi (ED) ed elettrodialisi reversibile (EDR)

Condorchem Envitech dispone di esperti in elettrodialisi e in elettrodialisi reversibile nel proprio organico e possiede una lunga esperienza nell’utilizzo di questa tecnica nelle sue diverse varianti. Nei suoi progetti utilizza moduli ad alta efficienza che possono trattare una portata variabile tra 1,7 e 30 m³/h per ogni modulo. Questi possono operare in parallelo, quindi le portate trattate possono arrivare a centinaia di metri cubi all’ora.

I processi di elettrodialisi (ED, EDR, SED, EDMB, EDM) hanno sempre più applicazioni.

Tra le più utilizzate vi sono l’ottenimento di acqua ultrapura, la concentrazione di correnti saline e la desalinizzazione di acque salmastre. In tutte queste applicazioni il consumo energetico è molto inferiore rispetto ad altri processi a membrana, come l’osmosi inversa.

Inoltre, lavorano a basse pressioni, non richiedono un grande pretrattamento dell’alimento e non si verificano problemi di fouling né di scaling sulla membrana. Infine, l’EDR, a differenza dell’osmosi inversa, permette di ottenere uno scarico zero, obiettivo molto apprezzato in numerosi settori industriali.

Per tutti questi motivi l’elettrodialisi è una tecnica alternativa all’osmosi inversa e, nella maggior parte dei casi, la più competitiva dal punto di vista economico.

L'elettrodialisi (ED) è un processo a membrane in cui gli ioni vengono trasportati attraverso una membrana a scambio ionico utilizzando l'energia elettrica come forza motrice.

Le membrane possiedono un'alta densità di gruppi ionici fissati su di esse, che permettono il trasporto selettivo degli ioni attraverso la membrana a seconda della loro carica. È consentito il passaggio dei controioni (di carica opposta) mentre è impedito il passaggio dei coioni (stessa carica) a causa della repulsione di Donnan. Questo processo avviene tra due elettrodi sotto l'influenza di un campo elettrico.

L'energia elettrica applicata permette che il trasferimento degli ioni avvenga dalla soluzione meno concentrata verso la soluzione più concentrata. Così, eliminando il soluto, si produce una purificazione del solvente; al contrario di quanto avviene nei processi di osmosi inversa o ultrafiltrazione, in cui si produce un trasporto del solvente attraverso la membrana impedendo contemporaneamente il passaggio del soluto.

L'elettrodialisi inversa o reversibile (EDR) funziona utilizzando lo stesso meccanismo dell'elettrodialisi, eccetto per il fatto che nell'EDR la polarità degli elettrodi viene invertita periodicamente (circa 3-4 volte all'ora) e, tramite valvole automatiche, vengono scambiate le uscite della soluzione concentrata e della soluzione diluita. In questo modo, gli ioni vengono trasferiti in direzioni opposte, il che rende difficile la formazione di incrostazioni e permette il lavaggio della membrana.

I benefici dell'elettrodialisi rispetto all'osmosi inversa sono la minore quantità di rifiuto, la minore sensibilità ai solidi sospesi, una maggiore durata delle membrane, la non necessità di un pretrattamento completo, una maggiore facilità di funzionamento e un basso consumo elettrico.

L'elettrodialisi è ampiamente utilizzata per la desalinizzazione dell'acqua salmastra e per la produzione di acqua potabile. Essendo questa la sua principale applicazione, viene utilizzata anche su scala minore nell'industria alimentare (desalinizzazione del siero di latte, eliminazione dell'acido tannico dal vino, recupero dell'acido citrico dal succo di frutta), farmaceutica (produzione di acqua ultrapura), biotecnologica (ottenimento di proteine), trattamento delle superfici, tessile, recupero di minerali, generazione di energia, elettronica e nel trattamento delle acque reflue (eliminazione di metalli pesanti, eliminazione di sali nel riutilizzo delle acque e concentrazione degli effluenti di scarto dell'osmosi inversa).

Nell'ambito di questa tecnologia, sono stati sviluppati diversi processi che, giocando con il tipo e la disposizione delle membrane, permettono risultati ambiziosi e di applicazione più specifica. Tra questi sviluppi, si evidenziano i seguenti:

• Elettrodialisi selettiva o selectrodialisi (SED) Applicando i principi della ED convenzionale, la SED si caratterizza per l'utilizzo di un tipo di membrane, membrane monovalenti cationiche (MVC) e membrane monovalenti anioniche (MVA), che sono selettive alla carica degli ioni, permettendo di separare i cationi monovalenti dai cationi polivalenti o gli anioni monovalenti dagli anioni polivalenti.

  Va sottolineato che questa tecnica presenta una limitazione riguardo agli ioni presenti nella soluzione da trattare; nell'alimento non possono esserci cationi divalenti quando si usa la SED per separare anioni in base alla loro carica e, viceversa, l'alimento non può contenere anioni divalenti quando si usa la SED per separare i cationi monovalenti dai cationi polivalenti.

  Questa tecnica permette una separazione degli ioni in base alla loro carica, il che la rende indicata per quelle applicazioni in cui la frazionamento degli ioni suscita un interesse particolare, come nel caso del pretrattamento di correnti contenenti fosfati per il loro successivo recupero o l'eliminazione di sali da soluzioni con elevata salinità.

• Elettrodialisi bipolare (EDMB) Nel processo di EDMB si utilizzano membrane a scambio ionico per separare e concentrare gli acidi e le basi da una corrente salina. L'elemento distintivo di questo processo è la membrana bipolare, che è formata da due strati differenti selettivi agli ioni di cariche opposte.

  Il principale vantaggio di questa tecnica è che nei diversi compartimenti della cella elettrolitica si possono ottenere direttamente soluzioni di acidi e basi con gli ioni provenienti da un sale di partenza e gli H⁺ e OH^– provenienti dall'acqua.

  Sotto l'influenza di un campo elettrico, l'acqua si diffonde all'interfaccia della membrana e si divide in ioni H⁺ e OH^–, che vengono trasportati attraverso gli strati anionici e cationici della membrana in camere diverse. Il risultato è la concentrazione di queste specie nelle rispettive camere.

  I sali presenti negli effluenti industriali, come cloruro di sodio, solfato di sodio, nitrato di sodio, fluoruro di potassio, acetato di sodio, ecc., possono essere convertiti nei rispettivi acidi e basi mediante EDMB.

  Le applicazioni più rilevanti di questo processo sono le seguenti:

  • Rigenerazione di liquidi usati nella produzione di acciaio inossidabile (recupero di HF, HN0₃, KOH).
  • Desolforazione di fumi e gas per produrre solfito di sodio
  • Recupero di acidi e amminoacidi organici
  • Recupero del rigenerante degli scambiatori ionici
  • Purificazione di acidi e basi

• Elettrodialisi metatesi (EDM) Il concetto di elettrodialisi metatesi (EDM) è stato sviluppato con l'obiettivo di ottenere la desalinizzazione delle acque salmastre senza produrre alcuna corrente residua, cioè con scarico di liquido zero (ZLD).

  Per raggiungere questo scopo, in generale, si utilizzano membrane a scambio cationico (CEM), membrane a scambio anionico (AEM), membrane monovalenti cationiche (MVC) e membrane monovalenti anioniche (MVA), sebbene in determinate applicazioni non sia necessario utilizzare le membrane monovalenti per raggiungere questo obiettivo.

  Disposizione adeguata di queste membrane permette di ottenere separatamente e concentrare anioni e cationi monovalenti e divalenti, tutto contemporaneamente. In questo modo si ottiene una corrente contenente cationi monovalenti con anioni e un'altra corrente contenente anioni monovalenti con cationi.

  Così, i sali poco solubili, come CaCO₃, MgSO₄ o CaSO₄, non si formano all'interno dell'apparecchiatura.

  Successivamente, se opportuno, le due correnti concentrate possono essere miscelate per recuperare i loro componenti per il riutilizzo nell'unità ZLD.

• Elettrodialisi monovalente (mEDR) L'elettrodialisi monovalente (mEDR) ha come obiettivo principale l'eliminazione selettiva di ioni o sali ed è utilizzata specialmente con acque reflue complesse. Si basa sui principi dell'elettrodialisi convenzionale, ma una delle membrane (anionica o cationica) è stata sostituita da una membrana selettiva (anionica o cationica, a seconda del caso).

  Non ci sono limitazioni riguardo al tipo di ioni presenti nell'alimento, ma è richiesta una soluzione aggiuntiva contenente ioni monovalenti (anioni o cationi, a seconda dell'applicazione specifica).