La tecnologia della separazione a membrana per la riduzione dell’inquinamento

• 
• Tweet
• Pin It
• Condividi per email

La separazione è applicata per la purificazione e concentrazione della materia prima, di prodotti intermedi e finali, e per il recupero selettivo di componenti, dagli effluenti scaricati dal processo produttivo. Una delle tecnologie moderne della separazione è l’uso delle membrane. Le membrane separano particelle estremamente piccole dagli effluenti, che possono essere misurati in termini di micron oppure peso molecolare. Principalmente, sono quattro i settori di classificazione della separazione a membrane: Microfiltrazione, Ultrafiltrazione, Nanofiltrazione ed Osmosi Inversa (tabella 1).
I processi, con l’applicazione delle membrane, hanno acquisito un ruolo di tecnologia chiave dall’inizio degli anni ’80 grazie alla qualità superiore dei loro prodotti e al consumo inferiore d’energia rispetto ai processi tradizionali di separazione. I processi a membrana sono ormai consolidati nella potabilizzazione, dissalazione ed in generale nella purificazione di acque superficiali e di processo, ma sono numerose anche le applicazioni industriali per la concentrazione e il recupero di sostanze con alto valore (es. recupero di principi attivi nell’industria farmaceutica e cosmetica; concentrazione e riciclo dei componenti inquinanti dall’acqua dei bagni di risciacquo nell’industria galvanica e tessile). In molte industrie, l’applicazione delle membrane permette di recuperare acqua o altri componenti dagli scarichi reflui, e reintegrare gli stessi nel ciclo produttivo, contribuendo così ad un sistema di sviluppo e crescita sostenibile. Oppure, l’applicazione di un processo a membrana permette di sviluppare e commercializzare prodotti nuovi di qualità superiore, aumentando così la competitività come è avvenuto in molti casi nell’industria chimica e alimentare. La differenza principale tra la filtrazione tradizionale (“depth filters”) e la tecnologia di separazione a membrana sta nel fatto dell’applicazione di un flusso parallelo con la superficie del mezzo filtrante, in altre parole con la membrana. Questo concetto è chiamato “filtrazione tangenziale” o “cross-flow filtration”. All’effetto della pressione applicata, le membrane separano l’effluente in due correnti: una parte dell’alimento attraversa la membrana (Permeato), ed è composta dall’acqua pura, filtrata, mentre la seconda corrente, il concentrato contiene le impurità reiettate dalla membrana. Il vantaggio dell’applicazione della filtrazione tangenziale è che le impurità reiettate sono costantemente spazzate via dalla superficie della membrana, allungando così la durata del filtro. Per mantenere il flusso tangenziale su un livello sufficientemente alto, una parte del concentrato può essere ricondotta all’entrata dell’alimento (Riciclo). La separazione attraverso le membrane avviene per effetto delle forze fisiche e chimiche. Un caso particolare è la Nanofiltrazione e l’Osmosi Inversa, dove un ruolo governante lo ha il fenomeno dell’osmosi. L’osmosi avviene quando due soluzioni di concentrazioni diverse sono separate da una membrana semipermeabile, che permette di attraversare solo il solvente. La pressione osmotica del soluto forza il solvente ad attraversare la membrana dalla soluzione diluita verso la soluzione più concentrata. La pressione osmotica, p, è determinata dalla formula van’t Hoff:
p = cRT
dove c è la concentrazione molare del soluto, R è la costante generale di gas, e T è la temperatura assoluta. In Osmosi Inversa, la pressione applicata al lato concentrato è più alta rispetto alla pressione osmotica del soluto, quindi il soluto attraversa la membrana nella direzione opposta, dalla soluzione più concentrata verso la soluzione più diluita.
Tipicamente, le membrane di separazione sono preparate con materie polimeriche: teflon (PTFE) polyvinylidene fluoride (PVDF), polyacrylonitril (PAN), cellulosa acetato (CA), polisolfone (PS), polyethersulfone (PES), nylon e polycarbonate. Inoltre, recentemente sono state sviluppate membrane con materie non-polimeriche: membrane ceramiche e metalliche, che vengono utilizzate prevalentemente nel settore di Microfiltrazione ed Ultrafiltrazione.
Le membrane industriali sono applicate in diverse configurazioni, e vengono chiamate elementi o moduli. Le principali configurazioni della filtrazione tangenziale sono:
– moduli con membrane piatte
– moduli tubolari
– moduli a fibra cava
– moduli avvolti a spirale.

Tutte le configurazioni sono caratterizzate da vantaggi e svantaggi specifici, e hanno trovato campi d’applicazione diversi. Il tipo più diffuso nell’industria è il modulo di membrana a spirale avvolta, grazie alla relativamente alta concentrazione della membrana all’interno di un’unità di produzione. Inoltre, la facilità dello “scale-up”, in altre parole la realizzazione di processi a volumi elevati sulla base degli esperimenti condotti con campioni di volume ridotto, ha contribuito notevolmente al successo dei moduli spirali.
I moduli spirali avvolti sono fabbricati in una serie di dimensioni standard. Lunghezza dei moduli è 40“ (1.016 mm), mentre il loro diametro è dipendente dalla quantità dell’effluente da trattare, dal modulo più piccolo di sperimentazione di 2,5” (63,5 mm) fino al diametro di 8” (203 mm).
Negli impianti produttivi i moduli vengono inseriti in vessel appositamente progettati.
Nell’industria, vengono applicate diverse tecnologie per minimizzare l’utilizzo dell’acqua fresca ed il costo della disposizione dei discarichi. L’obiettivo ideale è di raggiungere lo scarico zero, quindi il riciclo totale dell’acqua nel processo produttivo. Ma, anche se questo obiettivo finale è raggiungibile solo in alcuni casi molto speciali, la separazione a membrana rimane la tecnologia più efficace per il suo raggiungimento.
In tabella 2 vengono riassunti i principali settori in cui è già applicata la tecnologia di separazione a membrana, per il recupero dell’acqua, di componenti chimici oppure di entrambi.

• 
• Tweet
• Pin It
• Condividi per email