Biotecnologie

Gli impianti di dissalazione delle acque marine e salmastre

Il gesto consueto di aprire il rubinetto e riempire il bicchiere, non sempre riesce a renderci consapevoli di quanto l'acqua sia un bene prezioso e non alla portata di tutte le popolazioni della terra. In effetti è ormai universalmente accertato che il problema dell'acqua, cioè della sua disponibilità quali-quantitativa sta diventando un problema di tutti, non più confinata a determinate aree geografiche ma al mondo nella sua globalità. Qualcuno individua il problema nell'eccessivo sviluppo industriale di alcune nazioni in via di sviluppo, altri incolpano i cambiamenti climatici della terra con l'eccessivo surriscaldamento che porterà un innalzamento della temperatura del nostro pianeta sul finire del secolo tra 1'4 e 5'8 gradi centigradi,dipendendo questo dai livelli di emissione nell'atmosfera di gas ad effetto serra. Il cambio climatico produrrà inevitabilmente un aumento della frequenza di fenomeni climatici estremi come inondazioni e siccità e soprattutto ci si aspetta come il fenomeno del cambio climatico vada ad incidere notevolmente anche sulla qualità dell'acqua,che raggiungerà il suo momento di criticità soprattutto nei paesi più poveri, dove si sta già verificando l'esaurimento di importantissime falde acquifere a causa delle variazioni dell'assetto idrogeologico e aumento della concentrazione di materie tossiche come argon, radon e uranio. Comunque vadano le cose diventa ormai improcrastinabile l'adozione di provvedimenti destinati a porre rimedio ad un problema che nel corso degli anni è destinato ad aggravarsi ulteriormente.

In genere si ritiene che le precipitazioni pluviali sulla terra, sono maggiori rispetto all'effettiva necessità e ai bisogni futuri prevedibili tuttavia guardando una mappa delle risorse idriche ci si accorge che non sempre l'acqua è disponibile nel luogo e nella quantità sufficiente.

In talune regioni della terra non c'è disponibilità di acqua per l'agricoltura, limitata nella maggioranza dei casi dalla scarsità di precipitazioni piovasche, altre volte le scarsità di acqua limita l'insediamento delle popolazioni su alcune aree, determinando il problema del sovraffollamento delle metropoli da parte di gente fuggita dalla propria terra sterile e improduttiva proprio per mancanza di acqua; la scarsità di acqua limita fortemente anche lo sviluppo e la produzione industriale, fortemente legata alla disponibilità di acqua di buona qualità.

Per arginare il problema o quantomeno cercare di limitarlo l'intervento primario sarà sicuramente quello di limitare l'uso irrazionale cercando di utilizzare nel miglior modo possibile le risorse disponibili, cercando di ridurre le perdite di carico delle condutture e dei serbatoi realizzati con tecnologie obsolete e non sottoposte a manutenzione adeguata. Si può intervenire adeguando i bisogni di acqua per l'agricoltura mediante colture più resistenti a periodi di privazione di acqua oppure che necessitano di acqua con caratteristiche organolettiche inferiori.

Ma nella maggior parte dei casi gli interventi per assicurare la disponibilità idrica necessaria segue due strade, la prima è il trasporto a distanza dell'acqua con navi cisterna il secondo è il processo di trattamento di acque salmastre o marine presenti sul luogo o depurazione di acqua non rispondenti alle caratteristiche batteriologiche richieste per la potabilità.

Il processo di dissalazione dell'acqua marina è frutto di una tecnologia vecchia almeno tre secoli, quando sulle navi veniva dissalata l'acqua di mare per ottenere acqua potabile.

Il mare questa inesauribile risorsa idrica pari al 97% dell'acqua totale è purtroppo inadatta come acqua potabile o per fini agricoli e industriali perché in essa sono contenuti almeno 35g/dm³ sotto forma di sali disciolti, (cloruro di sodio e magnesio,solfato di manganese di calcio e potassio, carbonato di calcio,bromuro di magnesio) perciò diventa una necessità operare un trattamento di dissalazione dell'acqua marina qualora non è possibile o non è economicamente conveniente trasportarla direttamente sul luogo di consumo.

L'obiezione principale incontrata in passato dagli impianti di desalinizzazione, era indubbiamente di natura economica, a causa degli alti costi degli impianti tecnologici e del grande dispendio energetico necessario per portare a regime l'impianto stesso.

Oggi con l'avanzare della tecnologia, i costi si sono notevolmente ridotti, da quando viene applicata per la dissalazione la tecnica delle membrane selettive ad osmosi inversa, termine con cui abbiamo avuto modo di familiarizzare grazie ai teleimbonitori nostrani e ai loro filtri per la depurazione dell'acqua distribuita nelle nostre case della rete idrica cittadina e perciò già ampiamente controllata sia dal punto di vista batteriologico che organolettico.

L'osmosi inversa si è dimostrata veramente efficace, tanto da essere impiegata attualmente dalla grande maggioranza degli impianti di desalinizzazione.

Esistono particolari membrane, presenti in natura o create artificialmente che hanno la proprietà di essere permeabili al solvente (acqua nel nostro caso) ma non al soluto, qualora vengano poste in contatto in una soluzione. Tali membrane vengono chiamate membrane semipermeabili e il meccanismo selettivo per il quale queste membrane mostrano questa proprietà non è ancora del tutto chiaro, si ritiene che queste membrane svolgano un'azione filtro solo nei confronti di molecole di una certa grandezza. Mettendo a contatto del solvente puro (acqua) e una soluzione del medesimo solvente, separati tra loro da una membrana semipermeabile, assistiamo ad un processo di migrazione delle molecole del solvente verso la soluzione, questo flusso di particelle è chiamato osmosi e l'aspetto più significativo del fenomeno è un aumento della pressione esercitata sulla membrana per migrare verso la parte a concentrazione maggiore.

Quindi possiamo definire la pressione osmotica come “ la pressione esercitata dal solvente puro verso una soluzione messa a contatto con essa attraverso una membrana semipermeabile”.

La pressione osmotica di una soluzione ad una data temperatura dipende solo dal numero di particelle di soluto in essa contenuto, indipendentemente dalla loro natura, per cui la pressione osmotica è una proprietà colligativa della materia e si può calcolare con la formula teorica

πV = nRT

π = pressione osmotica in atmosfere della soluzione

V = volume in litri della soluzione

n = numero di moli di soluto

R = costante universale dei gas

T = temperatura assoluta della soluzione

Applicando alla soluzione più concentrata una pressione superiore a quella osmotica si ha come risultato l'inversione del flusso e il conseguente passaggio di solvente dalla soluzione più concentrata a quella più diluita ottenendo di fatto la concentrazione della soluzione sottoposta a pressione.

Il calcolo teorico della pressione da applicare per ottenere l'inversione del flusso ovvero il passaggio di solvente dalla soluzione più concentrata a quella più diluita è in funzione della differenza di concentrazione esistente tra le due soluzioni.

Considerando che la pressione osmotica dell'acqua marina ( 35g/dm³) e acqua pura è approssimativamente attorno a 22 atm, mentre la pressione necessaria a provocare l'osmosi inversa è di 105 atm, la misura del flusso che si ottiene da una membrana semipermeabile è ricavata dalla seguente formula:

J1 = K1.A.(∆P - ∆π)

dove :

J1 = flusso di acqua prodotta, misurata in m³/h;

K1 = costante di membrana;

A = superficie della membrana, m²;

∆ P = differenza di pressione tra le due superficie di membrana , Kg /m²;

∆π = differenza di pressione osmotica, Kg/ m³;

il grosso limite delle membrane è che non sono perfettamente semipermeabili, ma assieme all'acqua, riesce a passare anche una certa quantità di sali, il cui flusso è indipendente dalla pressione applicata ed è funzione della differenza di concentrazione delle due soluzioni:

J2 = K2.A.Δc

dove:

J2= flusso di sali espresso in eq/m2.h;

K2 = costante di membrana;

A= superficie di membrana;

Δc= differenza di concentrazione espressa in eq/m2;

La capacità di una membrana a separare il solvente dal soluto è chiamata reiezione teorica e sta ad indicare il rapporto tra le moli di sale respinto e le moli di sale presente nell'acqua salmastra o marina, le membrane con reiezione maggiore presentano un flusso di acqua minore e viceversa.

Gli impianti ad osmosi inversa, attualmente assolvono ad una duplice funzionalità,producono acqua e recuperano energia elettrica, garantendo di fatto la quasi autonomia energetica, l'impianto nella foto inoltre usa in aggiunta il sistema fotovoltaico azzerando i costi di energia elettrica per le necessità accessorie, tipo illuminazione o climatizzazione.

Strutturalmente l'impianto risulta diviso in quattro aree principali:

1. Presa dell'acqua di mare e pretrattamento;

2. Sistema di alta pressione e recupero energetico;

3. Sistema ad osmosi inversa;

4. Trattamento finale e distribuzione alla rete idrica;

Avere la possibilità di ottenere l'alimentazione di acqua marina, ricorrendo a sistemi di pozzi scavati nella sabbia è sicuramente auspicabile in fase di progettazione, perché riduce notevolmente i costi legati e consente uno snellimento apprezzabile del pretrattamento delle acque marine in quanto è la sabbia stessa ad effettuare una prima separazione;il pozzo si riempie per gravità a livello delle condutture marine dove viene prelevata da un sistema di pompe di alimentazione che inviano l'acqua all'impianto di desalinizzazione, all'ingresso delle pompe vengono aggiunte sostanze disincrostanti e l'acqua marina è pronta per passare attraverso quattro tappe di prefiltrazione effettuate con filtri a sabbia che trattengono particelle delle dimensioni di quattro micron. La tappa successiva affinché sia economicamente soddisfacente deve passare attraverso una fase di microfiltrazione necessaria a prevenire i fenomeni di cristallizzazione dei sali disciolti all'interno dei moduli per l'osmosi inversa e anche che i gusci silicei delle diatomee e di altre microalghe possano giungere alle membrane dove precipitano sotto forma di colloidi,tre filtri a sabbia e un quarto a cartucce di materiale sintetico attuano una microfiltrazione spinta,vengono inoltre aggiunte sostanze chimiche opportunamente dosate,acido solforico come acidificante per prevenire i processi di idrolisi e acido cloridrico 0,5 ppm per prevenire il danneggiamento delle membrane da parte di microorganismi batterici e anticoagulanti per evitare la formazione di colloidi.

Questa fase è importantissima perché va ad incidere sulla vita media delle membrane ad osmosi inversa aumentandone la durata fino a cinque anni e soprattutto la capacità di reiezione. I moduli ad osmosi inversa generalmente sono costituiti da membrane di acetato avvolte a spirale per una maggiore superficie filtrante, attualmente però la tecnologia si è orientata verso l'impiego di membrane poliammidiche, all'interno delle quali esistono due tipologie; moduli con fibra cava, costituiti da un numero elevato di tubi microscopici, (ottenuti grazie ad un processo di filatura del nylon) racchiusi all'interno di una struttura in alluminio a forma di scambiatore di calore a fascio tubiero, dove l'acqua salata pressurizzata fluisce all'esterno mentre il permeato all'interno del tubo;moduli in cui la fibra è avvolta a spirale. Per ragioni economiche sta prevalendo l'impiego di moduli particolari costituiti da fibra avvolta a spirale sopra la fibra vuota.

Ad una membrana è richiesta oltre all'economicità, la resistenza al cloro e agli altri agenti ossidanti e la resistenza all'insudiciamento prodotto dai colloidi,minore pressione d'esercizio a fronte di una maggiore resa in termini di produttività.

Un efficace sistema ad alta pressione e di recupero energetico consente di influenzare in senso positivo il dispendio energetico. I sistemi per il recupero energetico sono costituiti da una pompa centrifuga, un motore e una turbina idraulica per generare energia necessaria al funzionamento del motore, questi sistemi permettono di ridurre i consumi energetici di oltre la metà rispetto ai primi impianti in special modo da quando le turbine Francis sono state sostituite con turbine Pelton adattate per il funzionamento con salamoia, questo sistema classico permette un risparmio di energia stimabile attorno allo 0,2Kwh/m³ mentre altri sistemi si stanno sviluppando con tecniche che impiegano conversori idraulici e camere iperbariche con risparmio energetico di 0,5 Kwh/m³. L'energia ottenuta dalle pompe ad alta pressione può essere recuperata e reimmessa nel ciclo di desalinizzazione.

Il permeato ottenuto per rispondere ai requisiti tecnici di qualità deve essere trattato; il pH del permeato è infatti leggermente acido, questa caratteristica unita al basso contenuto di carbonati, rende l'acqua ottenuta altamente corrosiva. La correzione di queste caratteristiche, richiedono necessariamente il trattamento finale con carbonato di calcio, per portare il pH a 7,7 e in più sono richiesti trattamenti di fluorizzazione con fluoruro di sodio con l'eventuale aggiunta di ipoclorito di sodio,secondo le disposizioni normative richieste per soddisfare i requisiti di potabilità.