Cos'è l'osmosi inversa
Utilità
Sistemi a membrana
Gli impianti ad osmosi inversa vengono impiegati quando c’è una continua richiesta di acqua pura con impiego minimo di sostanze chimiche, minimo ingombro e bassi costi per l’assistenza e la manutenzione. Questo processo si addice preferibilmente alla produzione di acqua potabile e industriale ricavata da acque di pozzo, marine e salmastre, di acqua per l’industria nei settori civili pubblici e privati, di acque alimentari per impianti di distillazione (nell’industria farmaceutica) negli impianti di riscaldamento ed evaporatori. Ulteriori applicazioni si riscontrano nell’industria cosmetica e nell’emodialisi (rene artificiale) mentre un particolare settore è la dissalazione di acqua di mare.
Principi della tecnologia di separazione su membrana
Il “Filtration Spectrum” mostra come la tecnologia della separazione a membrana possa rimuovere sostanze estremamente piccole (ioni, molecole) la cui dimensione è misurabile in Angstrom (decimiliardesimi di metro).
Il grado di filtrazione dipenderà dalla combinazione fra la dimensione dei pori della membrana e le caratteristiche fisico-chimiche del fluido da trattare. La filtrazione a membrana si può dividere nelle quattro seguenti categorie:
- MICROFILTRAZIONE (MC)
- ULTRAFILTRAZIONE (UF)
- NANOFILTRAZIONE (NF) –
- OSMOSI INVERSA O IPERFILTRAZIONE (RO)
La nanofiltrazione e osmosi inversa sono definite anche come filtrazione tangenziale ed una parte del liquido trattato deve essere convogliato allo scarico per evitare l’accumulo dei sali trattenuti sulle membrane.
Microfiltrazione e Ultrafiltrazione
Il principio di micro filtrazione ed ultra filtrazione sono molto simili ed in realtà operano una separazione fisica quindi un trattamento fisico e si differenziano tra di loro sostanzialmente per la dimensione dei pori. La capacità di trattenere i solidi dissolti, la torbidita’ ed i microrganismi batteri e virus dipende infatti dalla dimensioni fisica dei pori nelle membrane che rimuoveranno le sostanze indesiderate in modo selettivo ed in ragione delle loro dimensioni fisiche.
Micro filtrazione
E’ definita la filtrazione su membrane con una dimensione dei pori compresa tra 0.1 – 10 µ. Queste membrane sono in grado di rimuovere tutti i batteri e indirettamente anche parte della eventuale contaminazione virale, anche se i virus sono più piccoli dei pori, in virtù della caratteristica dei virus che possono fissarsi facilmente al biofilm batterico trattenuto.
Alcuni esempi tipici di applicazione:
- sterilizzazione a freddo di bevande e prodotti farmaceutici
- puliture di succhi di frutta, vini e birra
- separazione dei batteri dall’acqua (trattamento bilogico dell’acqua reflua)
- separazione delle emulsioni olio/acqua
- pre trattamento dell’acqua per nano filtrazione o osmosi inversa
Ultra filtrazione
E’ definita la filtrazione su membrane con una dimensione dei pori compresa tra 0.1 – 0,001 µ. Queste membrane sono in grado di rimuovere tutti i batteri e i virus.
Esempi di campi in cui è applicata l’ultra filtrazione sono:
· l’industria lattiera (latte, formaggio, separazione lattosio)
· l’industria alimentare (separazione proteine)
· l’industria di metallo (separazione delle emulsioni olio/acqua, trattamento di vernici)
· l’industria tessile
· pretrattamento i sistemi di dissalazione per la protezione delle membrane
Nel caso dell’ultrafiltrazione il pretrattamento dell’acqua è molto importante, perché lo sporcamento e quindi l’intasamento dei pori è fortemente influenzato da tutta la torbidità, compresa anche quella di grosse dimensioni Per evitare l’ intasamento o il danneggiamento delle membrane anche da parte di particelle dure e taglienti presenti nell’acqua di alimentazione è raccomandata una ulteriore prefiltrazione a mezzo di elementi filtranti con un grado di filtrazione compresa tra fra 0.5 e 1.
Osmosi inversa
ll principio dell’Osmosi, fu scoperto dal premio nobel “Jacobus Hendricus Van T’Hoff” già nel 1901.
E’ una proprietà tipica dei sali minerali, essi attraggono i liquidi, vincendo la pressione atmosferica, anche attraverso membrane semipermeabili.
E’ il principio fisico secondo il quale le cellule del nostro corpo possono alimentarsi correttamente. Infatti sono ricoperte da una membrana semipermeabile che permette loro di filtrare ciò che serve (l’alimento ed i sali minerali) e di espellere le sostanze inutilizzate.
In natura l’Osmosi si manifesta quando due soluzioni a differente concentrazione di sali vengono separate da una barriera semipermeabile. La soluzione più diluita, passa attraverso la membrana per andare a diluire la soluzione più salina. Invertendo questo procedimento, si ottiene l’ Osmosi Inversa: Applicando una pressione ad una soluzione salina contro una membrana, si otterrà il passaggio di acqua pura dall’altra parte. Le impurità presenti nella soluzione, per via delle loro dimensioni, non sono in grado di attraversare i micropori della membrana. Con questo sistema si ottiene acqua allo stato puro. L’osmosi inversa (RO) non è la scelta definitiva per la rimozione di qualunque contaminante, ma è il metodo più economico per rimuovere il 95-99% di tutti i contaminanti presenti nell’acqua. Infatti, le membrane RO sono in grado di rimuovere tutte le particelle, i microrganismi e gli organici con peso molecolare maggiore di 100 dalton (incluso i pirogeni) con un meccanismo tipo setaccio molecolare. L’osmosi consiste nel flusso di acqua attraverso una membrana semipermeabile da una soluzione più diluita ad una più concentrata, finché non si raggiunge un equilibrio. L’osmosi inversa consiste, invece, nell’applicazione di una pressione alla soluzione più concentrata, in modo da contrastare la normale pressione osmotica, ottenendo il passaggio di acqua pura dalla soluzione più concentrata, che può essere raccolta a valle della membrana come permeato (fig. 2). Il sistema Ro svolge un processo di esclusione ionica per cui solo il solvente acqua può attraversare la membrana semipermeabile, mentre virtualmente tutte le molecole disciolte – inclusi i sali e gli zuccheri – vengono ritenute. Questa membrana semipermeabile reietta i sali (ioni) in funzione della carica: maggiore è la carica e maggiore è la percentuale di reiezione. In ogni caso, gli ioni polivalenti vengono reiettati oltre il 99%, mentre gli ioni monovalenti, quali il sodio, vengono reiettati per il 95%. Comunemente sulle acque potabili si utilizzano membrane in acetato di cellulosa o membrane in poliammide in configurazione “hollow fiber”. Le membrane RO devono essere costruite con materiali dichiarati per usi potabili ed, inoltre i collanti utilizzati nella loro costruzione non devono rilasciare contaminanti. Ci limiteremo all’esame delle membrane di nostro specifico interesse funzionati secondo il principio dell’osmosi inversa, considerando che in ogni caso le altre si differenziano per le diverse dimensioni dei pori e nelle caratteristiche del materiale, per esempio nelle membrane dell’osmosi inversa i pori sono i più piccoli. Per capire meglio le proporzioni si può immaginare che se ingrandissimo la superficie di un m2 di membrana quanto l’intero Oceano Pacifico, i pori dell’osmosi inversa sarebbero paragonabili a una piccola moneta, mentre quelli della nanofiltrazione ad un tappo di bottiglia e quelli dell’ultrafiltrazione ad un compact disc.
Capacità di reiezione tipica in relazione ai diversi tipi di inquinanti
I vari inquinanti presenti nell’acqua greggia sono rimossi in ragione della loro dimensione molecolare e quindi varia la loro percentuale di reiezione.
Elemento | Percentuale di riduzione | Elemento | Percentuale di riduzione |
Calcio | 93-98% | Piombo | 95-98% |
Sodio | 92-98% | Uranio | 93-98% |
Magnesio | 93-98% | Bromuro | 90-95% |
Potassio | 92-98% | Silicato | 92-95% |
Manganese | 96-98% | Cloruro | 92-95% |
Ferro | 96-98% | Nitrato | 85-95% |
Alluminio | 96-98% | Fosfato | 95-98% |
Rame | 96-98% | Solfato | 96-98% |
Nickel | 96-98% | Iposolfito | 96-98% |
Cadmio | 93-97% | Fluoruro | 92-95% |
Argento | 93-96% | Polifosfato | 96-98% |
Zinco | 96-98% | Ortofosfato | 85-95% |
Mercurio | 94-97% | Cromato | 85-95% |
Ammonio | 80-90% | Radioattività | 93-97% |
Selenio | 93-98% | Durezza totale | 93-97% |
Silice | 80-90% | Durezza carbonatica | 90-95% |
Stronzio | 96-98% | Batteri | 99% |
Cianuro | 85-95% | Parti in sospensione | 90-96% |
Configurazione della membrana”spiral wonder”
Le membrane polimeriche a flusso tangenziale sono disponibili con varie porosità (osmosi inversa, nanofiltrazione, ultrafiltrazione, microfiltrazione) ed in varie configurazioni (tubolari, a fibra cava, piane e a spirale avvolta). Ognuna delle suddette forme porta vantaggi e svantaggi. La membrana del tipo a spirale avvolta, attualmente è la più comunemente usata ed è composta da una busta formata da fogli di membrana e da particolari reti di spaziatura, il tutto arrotolato su di un tubo plastico forato (tubo permeato) dove per effetto della componente radiale della pressione, parte del liquido permea (permeato) attraverso la membrana. Sempre per effetto della componente tangenziale della pressione il liquido non permeato viene spinto verso l’uscita della membrana ( scarico-ricircolo) raccogliendo le particelle dei sali troppo grosse per essere permeate e per un effetto tangenziale di turbolenza contribuisce a mantenere pulita la superficie della membrana stessa.
Componenti membrana:
Tipologie di membrane
Le membrane osmotiche sono classificate internazionalmente in relazione alla loro destinazione d’uso, ovvero la salinità massima che possono trattare, alle dimensioni fisiche,( Diametro, Lunghezza) e portata.
Le dimensioni sono espresse in pollici mentre la portata è espressa in GPD (galloni per giorno).
