Distillazione a membrana

Nell'ambito dell'ingegneria chimica, la distillazione a membrana (o dissalazione a membrana) è un particolare processo di dissalazione svolta grazie all'utilizzo di membrane artificiali.

Oltre alla dissalazione dell'acqua di mare o dell'acqua salmastra, la dissalazione a membrana può essere utilizzata per concentrare alimenti (succhi di frutta, latte, zucchero e gelatina), per la purificazione del sangue, o per estrarre etanolo da soluzioni acquose.^[1]

Storia

Il primo brevetto relativo alla distillazione a membrana risale al 1963, ad opera di Bruce R. Bodell,^[2] dal titolo "Silicon Rubber Vapor Diffusion in Saline Water Distillation";^[3] per il suo brevetto Bodell utilizzò un modulo a membrana tubulare costruito in gomma siliconica.^[4]

Nel 1967 Findley pubblica il primo articolo sulla distillazione a membrana nella rivista "Industrial & Engineering Chemistry Process Design Development",^[2] nel quale utilizza PTFE e gomma siliconica per la costruzione della membrana, a causa dell'elevata idrofobicità di tali materiali.^[2]

Al 1967 risale inoltre un brevetto di Peter K. Weyl dal titolo "Recovery of Demineralized Water from Saline Waters",^[5] nel quale, per la costruzione delle membrane, vengono proposti il polietilene (PE), il polipropilene (PP) e il polivinilcloruro (PVC).^[2]

Funzionamento

Schema di un impianto di distillazione a membrana alimentato a energia solare

La forza spingente del processo di distillazione a membrana è la differenza di pressione parziale esistente tra le due facce di una membrana porosa idrofobica^[6][7], determinata a sua volta da un gradiente termico tra i due lati della membrana.^[8]

La membrana presenta pori dal diametro di 0,1÷1 micron^[9] ed è inserita all'interno di un modulo a membrana in cui scorrono l'alimentazione (o "retentato"), la corrente contenente acqua dissalata ("permeato" o "distillato") ed eventualmente altri fluidi di processo o di servizio. Il carattere idrofobico della membrana fa sì che il passaggio del liquido attraverso i pori della membrana sia ostacolato dalla tensione superficiale, per cui la membrana è attraversata prevalentemente dal vapore acqueo, mentre i sali disciolti nel liquido rimangono nel retentato.^[10]

A differenza della maggior parte degli altri processi a membrana, il processo di distillazione non è isotermo.^[6] Infatti esso richiede che sia fornita energia termica all'alimentazione in modo che l'acqua possa attraversare i pori della membrana sotto forma di vapore.^[11] Grazie alle temperature di esercizio relativamente basse (fino a 60÷90 °C^[12][13]), l'energia termica necessaria può essere ad esempio fornita da un pannello solare termico, oppure da una rete di recupero del calore di scarto di una centrale termoelettrica^[11].

La distillazione a membrana viene svolta a valori di pressione più bassi (qualche centinaio di kPa) rispetto al processo di osmosi inversa.^[13] Il fenomeno del fouling è inoltre meno accentuato rispetto al processo di osmosi inversa, in quanto il diametro dei pori della membrana è maggiore.^[13]

Trasporto di materia

Profili di temperatura e di pressione in un modulo di distillazione a membrana

Il trasporto di materia in un modulo a membrana avviene attraverso le seguenti fasi:^[14]

• trasporto per convezione dei componenti più volatili (ovvero acqua pura) dal bulk del canale di alimentazione fino alla superficie della membrana (lato alimentazione);
• evaporazione dei componenti volatili (ovvero acqua pura) in corrispondenza della superficie della membrana (lato alimentazione), con produzione di vapore;
• attraversamento dei pori della membrana idrofobica da parte delle molecole di vapore;
• condensazione del vapore (nel canale del permeato o in un condensatore).

Il flusso di vapore attraverso i pori della membrana può superare i 120 kg/m²h^[8] e avviene attraverso la combinazione di due meccanismi: diffusione di Knudsen (prevalente quando il diametro dei pori è minore del cammino libero medio delle molecole di vapore) e flusso di Poiseuille (prevalente quando il diametro dei pori è 100 volte maggiore del cammino libero medio delle molecole di vapore), sebbene il meccanismo dominante sia la diffusione di Knudsen.^[15] Ne discende che per una data membrana il flusso massico di vapore N_w (espresso in kg/m²s nel SI) è proporzionale alla differenza di pressione Δp ai lati della membrana:^[16]

N_w = C·Δp

in cui C è una costante empirica, il cui valore dipende dalla geometria della membrana e dalla natura del materiale con la quale è costruita.

Classificazione

La distillazione a membrana può essere svolta in uno dei seguenti modi:

• DCMD (Direct Contact Membrane Distillation): in tale configurazione la membrana divide il modulo in due compartimenti, attraversati dall'alimentazione e dal permeato;^[17] rispetto alle altre configurazioni, garantisce un maggiore flusso attraverso la membrana,^[18] ma presenta una minore efficienza termica (essendo l'efficienza termica definita come il rapporto tra il calore utilizzato per l'evaporazione del liquido e il calore fornito al retentato);^[18] tale metodo è preferibile nel caso in cui il liquido da distillare è costituito prevalentemente da acqua,^[13] ad esempio nel caso della distillazione dell'acqua di mare e nella produzione di succo d'arancia;^[18]
  • LGDCMD (Liquid Gap Direct Contact Membrane Distillation): il permeato è diviso dal liquido di raffreddamento da un piatto di condensazione, per cui il modulo è suddiviso in tre compartimenti, attraversati dall'alimentazione, dal permeato e dal liquido di raffreddamento;^[17]

• AGMD (Air Gap Membrane Distillation): il permeato è diviso dal liquido di raffreddamento da un piatto di condensazione e scorre all'interno di un compartimento in cui è presente aria (detto "air gap");^[17] la presenza dell'air gap aumenta l'efficienza termica rispetto alla configurazione DCMD, ma abbassa il flusso attraverso la membrana;^[19]
• VMD (Vacuum Contact Membrane Distillation): il flusso di permeato viene velocizzato attraverso una pompa a vuoto;^[17] la condensazione del permeato viene svolta all'esterno del modulo, attraverso un condensatore;^[20] l'efficienza termica di tale configurazione è elevata;^[21] tale configurazione è preferibile quando si vogliano eliminare tracce di componenti non volatili da soluzioni acquose;^[21]
• SGMD (Sweeping Gas Membrane Distillation): un gas inerte trasporta con sé le molecole di vapore che attraversano la membrana;^[20] analogamente al caso della configurazione VMD, la condensazione del permeato viene svolta all'esterno del modulo, attraverso un condensatore;^[20] tale configurazione presenta un'efficienza termica paragonabile a quella della configurazione AGMD e un flusso attraverso la membrana paragonabile a quello della configurazione DCMD,^[19] ma presenta costi più elevati associati alla presenza del condensatore;^[19] tale configurazione ha campi di applicazione simili a quelli della configurazione VMD.^[19]

In tutti i casi, l'alimentazione e il permeato scorrono in controcorrente (in modo da aumentare la forza spingente) e l'alimentazione (costituita da acqua avente un contenuto salino più elevato rispetto al permeato) è a contatto diretto con un lato della membrana.^[6]

• 
  Schematizzazione di un modulo DCMD
• 
  Schematizzazione di un modulo AGMD

Note

1. Escobar, p. 90.
2. Li, p. 300.
3. Brace R. Bodell, Distillation of saline water using silicone rubber membrane (numero del brevetto: 3361645).
4. Drioli, p. 187.
5. Peter K. Weyl, Recovery of demineralized water from saline waters (numero del brevetto: 3340186).
6. Li, p. 297.
7. Micale, p. 166.
8. Escobar, p. 85.
9. Li, pp. 306-307.
10. Peinemann, p. 183.
11. Micale, p. 165.
12. Micale, p. 167.
13. Peinemann, p. 184.
14. Escobar, pp. 85-86.
15. Micale, p. 168.
16. Micale, pp. 169-170.
17. Li, p. 298.
18. Lei, p. 247.
19. Lei, p. 248.
20. Li, p. 299.
21. Lei, p. 249.

Bibliografia

• (EN) Giorgio Micale, Andrea Cipollina, Lucio Rizzuti, Seawater Desalination: Conventional and Renewable Energy Processes, Springer Verlag, 2009, ISBN 3-642-01149-7.
• (EN) Norman N. Li, Anthony G. Fane, W. S. Winston Ho, Takeshi Matsuura, Advanced Membrane Technology and Applications, John Wiley and Sons, 2008, ISBN 0-470-27627-4.
• (EN) E. Drioli, Alessandra Criscuoli, Efrem Curcio, Membrane contactors: fundamentals, applications and potentialities, Elsevier, 2006, ISBN 0-444-52203-4.
• (EN) Isabel C. Escobar, Andrea Schäfer, Sustainable Water for the Future: Water Recycling Versus Desalination, Elsevier, 2009, ISBN 0-444-53115-7.
• (EN) Klaus-Viktor Peinemann, Suzana Pereira Nunes, Lidietta Giorno, Membranes for food applications, Wiley-VCH, 2010, ISBN 3-527-31482-2.
• (EN) Zhigang Lei, Biaohua Chen, Zhongwei Ding, Special distillation processes, Elsevier, 2005, ISBN 0-444-51648-4.

Voci correlate

• Dissalazione
• Membrana artificiale
• Processo a membrana

Altri progetti

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Collegamenti esterni

• ingegneri.info - Ricerca su un innovativo dissalatore solare a membrana, su ingegneri.info. URL consultato il 24 agosto 2011 (archiviato dall'url originale il 18 dicembre 2010).
• Acqua per i più poveri grazie a piccole centrali ad energia solare, su SolareNews.it, 10 gennaio 2008. URL consultato il 2 agosto 2021 (archiviato dall'url originale il 13 aprile 2013).