Osmosi inversa

osmosi inversa

L’Osmosi “Inversa” è il processo che si verifica quando una soluzione salina viene messa a contatto con una membrana permeabile all’acqua (e non ai solidi disciolti) ad una pressione superiore alla pressione osmotica della soluzione stessa. Attraverso la membrana avviene il passaggio di una soluzione (permeato) a contenuto salino inferiore a quella di partenza, mentre all’esterno della membrana si viene a determinare una soluzione ricca di sali (concentrato).

L’Osmosi “Inversa” è il processo contrario dell’osmosi “diretta” che avviene naturalmente in assenza di pressioni esterne al sistema. Quando due soluzioni a diverse concentrazioni e contenute rispettivamente in due recipienti vengono messe a contatto attraverso una membrana semipermeabile, si verifica un flusso dalla soluzione a minore concentrazione alla soluzione a maggiore concentrazione determinando in quest’ultima una diminuzione della concentrazione. A termine del flusso si evidenzia un dislivello delle due soluzioni che rappresenta il valore della pressione osmotica della soluzione più concentrata .

Il processo di Osmosi “Inversa” può verificarsi solo applicando alla soluzione più concentrata una pressione superiore alla pressione osmotica, che permette il passaggio di solvente dalla soluzione concentrata alla soluzione meno concentrata..

Più alto è il valore della pressione applicata, più alto è il flusso del permeato.

Tale processo rappresenta la più fine tecnica di filtrazione dell’acqua, in quanto non consiste semplicemente in un ostacolo fisico (determinato dalle dimensioni dei pori) al passaggio delle molecole, ma sfrutta la diversa affinità chimica delle specie con la membrana, permettendo infatti il passaggio delle molecole idrofile (o water-like), cioè chimicamente simili all’acqua (es. gli alcoli a catena corta). Dal punto di vista impiantistico il metodo sfrutta il principio della filtrazione tangenziale, come anche altre tecniche separative mediante membrane quali la microfiltrazione, l’ultrafiltrazione e la nanofiltrazione. L’osmosi inversa è utilizzata nel trattamento dell’acqua, sia per la desalinizzazione, sia per la rimozione di tracce di fosfati, calcio e metalli pesanti, nonché fitofarmaci, materiali radioattivi e di quasi tutte le molecole inquinanti.

Negli ultimi anni si costruiscono impianti a “scarico liquido zero” nei quali la sezione di osmosi inversa aumenta la concentrazione delle specie chimiche presenti nell’acqua di scarico fino a valori prossimi o superiori (soluzioni sovrassature) alla loro solubilità.

Nel processo di osmosi inversa vengono usate membrane composite di sottili pellicole (TFC o TFM, Thin Film Composite Membrane). Queste membrane sono semipermeabili e fabbricate principalmente per l’uso nella depurazione delle acque o in sistemi di desalinizzazione.

In sostanza un materiale TFC è un setaccio molecolare costruito nella forma di una pellicola di due o più materiali stratificati.

Le membrane usate nell’osmosi sono generalmente fatte in poliammide, scelta principalmente per la sua permeabilità all’acqua e la relativa impermeabilità alle varie impurità disciolte, inclusi gli ioni salini e altre piccole molecole che non possono venire filtrate.

DOVE SI USANO GLI IMPIANTI AD OSMOSI INVERSA

  • Impianti di produzione acqua demineralizzata.
  • Impianti di produzione acqua ultrapura.
  • Dissalazione acqua di mare o salmastra ad uso potabile.
  • Trattamenti nei processi industriali.
  • Impianti rimozione Arsenico, Nitrati, Boro, etc.
  • Impianti di trattamento a “scarico liquido zero”.
  • Recupero acque di processo in ciclo-chiuso.

PRESSIONE OSMOTICA
 Il valore della pressione osmotica può essere determinato mediante una formula che tiene conto della composizione qualitativa e quantitativa dei sali contenuti e della temperatura.
A riguardo dei programmi specifici a computer permettono di determinare facilmente il valore della pressione osmotica.
Un calcolo approssimativo ma estremamente semplificato ed immediato della pressione osmotica a 25°C si può eseguire dividendo il TDS (Total Dissolved Solids) espresso in ppm per 1.500.

Esempio:

TDS  = 3.000 ppm
Pressione osmotica  = 2 bar

FATTORE DI RECUPERO
Il fattore di recupero è il rapporto tra la portata del permeato e la portata dell’acqua di alimentazione.

Permeato

R = ————————————– x 100

Acqua di alimentazione

Il fattore di recupero è un dato di progetto fondamentale che viene fissato tenendo conto di diversi parametri quali, per esempio:

– Limite di solubilità di sali incrostanti (carbonato di calcio, solfato di calcio, etc.)
– Possibilità d’intasamento della membrana dovuto a solidi fini colloidali
– Grandezza dell’impianto
– Considerazioni economiche

In generale i fattori di recupero per i diversi tipi di acqua :

– Acqua demineralizzata :TDS inferiore a 10 ppm – R= da 80 a 90%
– Acqua bassa salinità :TDS inferiore a 500 ppm – R= 80% max
– Acqua salmastra :TDS inferiore a 8.000 ppm – R= da 50 a 75%
– Acqua di mare  :TDS fino a 47.000 ppm – R= da 10 a 45%

Per progettare correttamente un impianto ad osmosi inversa occorre disporre dell’analisi completa dell’acqua.
Ciò è indispensabile per stabilire le prestazioni che si possono ottenere dall’impianto ad osmosi inversa ed inoltre per prevedere il tipo di pretrattamento idoneo.
Maggiori informazioni si hanno a disposizione in merito alla qualità dell’acqua da trattare maggiore e la sicurezza nel progettare l’impianto ad osmosi inversa con il relativo pretrattamento.

I dati che occorre conoscere sono:
– Provenienza dell’acqua (di rete, di pozzo, superficiale, di mare, etc.)
– pH
– TDS (Total Dissolved Solids)

Composizione dei sali:
– Calcio Ca++  – Bicarbonati HCO3-
– Magnesio Mg++  – Cloruri Cl-
– Sodio Na++  – Solfati SO4–
– Potassio  K+  – Nitrati NO3-
– Ferro Fe++  – Fluoruri  F-
– Manganese Mn++  – Fosfati PO4—
– Bario Ba++
– Stronzio  Sr++
– Ammoniaca NH4+  – Silice solubile SiO2
– S.D.I. (Silt Density Index)
– Temperatura (di progetto, minima e massima)
– Analisi batteriologica

La temperatura dell’acqua da trattare ha un importanza fondamentale in quanto all’aumentare della stessa si verifica:

–  la portata del permeato aumenta
–  la qualità del permeato peggiora

N.B.
Per ottenere la portata di permeato richiesta a temperature più basse è necessario aumentare la pressione
Per una corretta progettazione dell’impianto ad osmosi inversa è necessario riferirsi alla temperatura minima dell’acqua da trattare.
Spesso questo parametro viene sottovalutato dai progettisti evidenziando prestazioni inferiori dell’impianto durante l’avviamento e determinando motivi di contestazione da parte del Cliente.
Occorre altresì ricordare che ogni membrana ha una massima temperatura operativa che normalmente varia dai 40 ai 45°C.

SOLIDI SOSPESI E SOSTANZE COLLOIDALI
I solidi sospesi devono essere rimossi nel pretrattamento per evitare l’intasamento delle membrane. Oltre ai solidi sospesi si possono trovare nell’acqua da trattare “colloidi”, ovvero particelle che rimangono in sospensione e non tendono ad agglomerarsi.
– Acque superficiali  :   alto tenore di solidi sospesi e colloidi
– Acque sotterranee e/o di:   basso tenore di solidi sospesi e pozzo colloidi (per l’azione filtrante degli strati del terreno)
Per giudicare  il contenuto di sostanze colloidali è fondamentale il parametro
SDI (Silt Density Index)

Maggiore è il valore di SDI, maggiore è il contenuto di sostanze colloidali presenti nell’acqua da trattare. Nelle membrane adatte per osmosi inversa si verifica una totale reiezione delle sostanze colloidali perciò esse si concentrano e possono dare luogo a fenomeni di coagulazione/flocculazione e conseguentemente all’intasamento delle membrane.
Questo fenomeno è una delle più frequenti cause di mal funzionamento degli impianti ad osmosi inversa, perciò deve essere evitato in fase di progettazione con un adeguato pretrattamento.
L’idoneo dimensionamento del pretrattamento deve essere studiato per ottenere un valore di SDI inferiore a 3.

BATTERI E CLORAZIONE
La rimozione dei batteri e virus è assoluta, però è corretto che non vi siano batteri o virus presenti nell’acqua da trattare per evitare proliferazione batterica e quindi intasamenti.
Una clorazione del sistema, se non già presente (acqua di rete),è consigliabile (in relazione alla grandezza dell’impianto) per impedire una proliferazione batterica (o di alghe) nelle linee di trattamento ed anche nelle membrane.
Il limite di cloro libero per i moduli osmotici a spirale avvolta in Film composito è di 0,1 ppm ma è consigliabile operare in assenza di cloro libero.
Per ottenere quanto sopra descritto è importante inserire nel pretrattamento un sistema di declorazione mediante l’installazione di un filtro a carbone attivo o più comunemente dosando a valle dell’impianto ad osmosi inversa del metabisolfito di sodio.
Questo prodotto ha caratteristiche acide e quindi abbassa il pH per cui svolge altresì un’azione positiva in favore della solubilità del carbonato di calcio.

PRECIPITAZIONE DEI SALI
Poiché i sali si accumulano nel concentrato può accadere che si superi il prodotto di solubilità e che essi precipitano.
Considerando, a titolo precauzionale che ci sia la totale reiezione dei sali, il fattore di concentrazione è dato dalla formula:

1

Cf = ——————

1-(R/100)

Esempio:
R = 25%  Cf = 1,3
R = 50%  Cf = 2,0
R = 65%  Cf = 2,5
R = 75%  Cf = 4,0
R = 85%  Cf = 6,6

Occorre evitare la possibilità di precipitazioni di sali il cui intasamento può essere talvolta difficile da rimuovere e altresì può danneggiare la membrana in maniera irreversibile.
La corretta progettazione deve prevenire la possibilità di precipitazione dei sali e quindi deve essere calcolato il massimo fattore di recupero (Cf) in funzione del superamento del prodotto di solubilità dei sali contenuti nell’acqua.
Per innalzare la solubilità dei sali è perciò il recupero ottenibile si possono dosare dei prodotti chimici specifici:

Acido cloridrico o solforico :
Per evitare la precipitazione del carbonato di calcio (abbassando il pH aumenta il prodotto di solubilità del carbonato di calcio)

Sequestrante :
Per evitare la precipitazione dei solfati di calcio, bario, stronzio e del fluoruro di calcio (aumentando la solubilità di questi sali).

FERRO E MANGANESE
Il ferro bivalente può essere ossidato dall’ossigeno disciolto dall’acqua o da altri agenti ossidanti presenti, per cui è necessario evitare di avere concentrazioni di Fe++ maggiori di 0,1 ppm.
Il contenuto di manganese nell’acqua da trattare deve essere inferiore a 0,05 ppm. Se tale valore è superiore occorre prevedere un idoneo pretrattamento.

SILICE
Se è presente un alto tenore di silice (SiO2) disciolta nell’acqua di alimento occorre verificare la possibilità di precipitazione.
Il contenuto di silice nel concentrato è dato dalla formula :
SiO2 (concentrato)  = SiO2 (alimento) x Cf
Se la concentrazione di silice supera la solubilità, la silice può coagulare e formare colloidi o gel di silice i quali possono intasare le membrane.
L’intasamento da silice può in generale essere evitato abbassando il pH o con un “condizionamento” chimico nel pretrattamento.
Inoltre può anche essere evitato, nei limiti del possibile, con l’innalzamento della temperatura.

ZOLFO E SOLVENTI
Oltre alle sostanze chimiche ed i parametri considerati nei paragrafi precedenti devono essere controllate la seguenti sostanze e/o composti :
Zolfo colloidale
Se l’acqua da trattare contiene idrogeno solforato (H2S) è importante evitare che agenti ossidanti quali l’aria e il cloro possano entrare in contatto con l’acqua formando zolfo colloidale che è un composto molto intasante.
Solventi, olii, grassi, emulsioni e polimeri naturali.
Questi composti possono formare un sottile film aderente alla membrana che ne può cambiare le prestazioni.

IL LAVAGGIO MEMBRANE
Il lavaggio delle membrane è una fase importante del programma di manutenzione di ogni impianto di osmosi inversa. Per eseguire una efficace operazione di lavaggio occorre conoscere il tipo di intasamento e le caratteristiche dei prodotti di lavaggio disponibili sul mercato.

QUANDO LAVARE LE MEMBRANE
Anche con accurate precauzioni, un efficace pretrattamento e una corretta manutenzione dell’impianto, nel tempo può verificarsi un progressivo intasamento dei moduli osmotici.
Il periodo di intasamento delle membrane dipende dall’efficienza del sistema di pretrattamento e dall’efficacia del prodotto antiprecipitante utilizzato. Esistono pochi impianti dove non è mai necessario effettuare procedure di lavaggio e impianti dove tali operazioni devono essere eseguite una sola volta all’anno o addirittura una volta ogni due anni. CARBOPLANT comunque raccomanda di eseguire lavaggi regolari, almeno una-due volte all’anno, per mantenere le membrane sempre in perfetta efficienza.
E’ fondamentale lavare le membrane nello stadio iniziale di intasamento.
Il lavaggio è consigliato quando uno o più dei seguenti parametri cambia del 10 – 15%
  aumento della conducibilità del permeato
–  aumento della differenza di pressione
–  aumento della pressione in alimento
–  diminuzione della produzione

N.B. Se le prestazioni dell’impianto peggiorano più del 30% è spesso impossibile riportare l’impianto nelle condizioni ottimali.

esempi acqua osmosi
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carboplant ultra filtrazione

Ultrafiltrazione

Le membrane di ultrafiltrazione hanno un grado di filtrazione compreso tra 0,1-0,01 µ.
Ciò consente di trattenere: Proteine, acidi grassi, macromolecole, batteri, solidi sospesi, etc.

Per tale motivo sono utilizzate per applicazioni di concentrazione e recupero associate alle soluzioni di processo e/o macromolecole.

Generalmente tale tipo di filtrazione adotta pressioni di esercizio relativamente basse (da 0,5 a 5 bar), variabili per tipologia di membrana impiegata.

La versatilità di tale processo, che deve potersi adattare ad ogni tipologia di liquidi ed applicazione, deriva dall’ampia gamma di configurazioni geometriche utilizzabili differenti per superficie membrana impiegata, per materiale filtrante utilizzato (organico polimerico ed inorganico) e riassumibile nelle categorie:

Fibra cava: capillari, pluritubo, tubolare, Spirali.

Impianti di Ultrafiltrazione a membrana a fibra cava.

Generalmente tale tipo di configurazione si adatta bene per i processi di filtrazione a pressioni relativamente basse (dell’ordine di qualche bar) quali micro ed ultrafiltrazione, con il fine di chiarificare i fluidi di processo e di scarico.

La fibra cava è notoriamente la forma geometrica più favorevole per contenere i costi d’investimento e di gestione di un processo a membrana. Ciò grazie ad oneri di produzione contenuti, gran densità di superficie filtrante per unità di volume e bassi consumi energetici.
Altro vantaggio di tale configurazione consiste nella possibilità di poter variare le condizioni operative di filtrazione e trovare la condizione operativa tecnicamente migliore ed economicamente più conveniente.

Studi comparativi tra filtri a pressione e membrane da UF-MF, evidenziano l’efficacia delle membrane a fibra cava come pretrattamento ad un’eventuale stadio di osmosi inversa perché il permeato di una membrana di Ultrafiltrazione garantisce un abbattimento praticamente totale dei colloidi presenti nell’acqua.

Le principali tipologie di configurazione sono:

Impianti a membrana fibra cava esterne (in pressione): per il trattamento e recupero di acque industriali o di superficie.

Impianti a membrane a fibra cava immerse tipo MBR (in depressione): per il recupero di acque da trattamento biologico.
Generalmente le membrane sono immerse in una vasca dedicata ed operano in depressione; queste possono essere disposte in sostituzione oppure a valle dei tradizionali chiarificatori secondari.