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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 modifica

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 modifica

 
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 modifica

 
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 Nw (espresso in kg/m2s nel SI) è proporzionale alla differenza di pressione Δp ai lati della membrana:[16]

Nw = 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 modifica

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 modifica

  1. ^ Escobar, p. 90.
  2. ^ a b c d 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. ^ a b c Li, p. 297.
  7. ^ Micale, p. 166.
  8. ^ a b Escobar, p. 85.
  9. ^ Li, pp. 306-307.
  10. ^ Peinemann, p. 183.
  11. ^ a b Micale, p. 165.
  12. ^ Micale, p. 167.
  13. ^ a b c d Peinemann, p. 184.
  14. ^ Escobar, pp. 85-86.
  15. ^ Micale, p. 168.
  16. ^ Micale, pp. 169-170.
  17. ^ a b c d Li, p. 298.
  18. ^ a b c Lei, p. 247.
  19. ^ a b c d Lei, p. 248.
  20. ^ a b c Li, p. 299.
  21. ^ a b Lei, p. 249.

Bibliografia modifica

Voci correlate modifica

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