OSMOSI INVERSA E ULTRAFILTRAZIONE
OSMOSI INVERSA E ULTRAFILTRAZIONE
L'incidenza sempre crescente della voce di costo connessa al consumo energetico nella valutazione del costo totale di un'operazione di separazione e di purificazione di sostanze, tende a orientare la scelta verso quei processi che richiedono un modesto impiego di energia. In questo contesto, notevole interesse hanno assunto recentemente l'osmosi inversa (o "iperfiltrazione") e l'ultrafiltrazione, cioè due operazioni caratterizzate dal contatto fra fasi liquide separate da una membrana. L'u. fa uso di membrane capaci di trattenere colloidi e soluti di dimensioni superiori a un valore che orientativamente può essere posto pari a circa 10 volte il diametro molecolare del solvente, e pertanto non si discosta concettualmente da un'operazione ordinaria di filtrazione se non per le dimensioni delle particelle che essa consente di separare. L'o. i. fa uso di membrane (teoricamente) permeabili soltanto al solvente: separando con una siffatta membrana due soluzioni a differente concentrazione, e applicando dal lato della soluzione più concentrata una pressione maggiore di quella osmotica, s'inverte il senso normale di trasporto e si ottiene, in tal modo, il passaggio del solvente dalla soluzione concentrata a quella diluita. Le pressioni di esercizio richieste in un'operazione di o. i. sono in taluni casi assai notevoli: per es., la pressione osmotica dell'acqua di mare è pari a circa 22 atm e la corrispondente pressione richiesta per ottenere un apprezzabile flusso di solvente può anche superare 100 atmosfere. Quando l'o. i. è impiegata per dissalare acque salmastre con salinità notevolmente inferiore a quelle dell'acqua di mare o per depurare scarichi liquidi caratterizzati, in genere, da notevole diluizione, i valori assunti dalla pressione osmotica e quindi dalla pressione d'esercizio sono apprezzabilmente inferiori a quelli richiesti nel caso di dissalazione di acqua di mare. Osserviamo che, al contrario di quanto accade per l'o. i., ai due lati di una membrana di u. si vengono a creare differenze di concentrazione che riguardano soltanto le sostanze di notevoli dimensioni molecolari (caratterizzate quindi da un piccolo valore del numero di moli osmoticamente attive per unità di volume di solvente): pertanto si hanno effetti osmotici trascurabili e le pressioni richieste per il passaggio della soluzione attraverso la membrana sono di modesta entità (al massimo di qualche atm). L'o. i. e l'u. richiedono l'impiego di membrane aventi selettività, permeabilità, resistenza meccanica e inerzia chimica adeguate. L'u. fa uso di membrane microporose: le dimensioni dei pori determinano il grado di separazione e sono in genere dell'ordine di 500 ÷ 5000 Å. L'o. i. impiega membrane asimmetriche generalmente a base di acetato di cellulosa modificato, costituito da uno strato poroso, con spessore di circa 100 μm avente la funzione di supporto, e da uno strato sottile omogeneo, con spessore di qualche decimo di μm ed esplicante la funzione selettiva fra solvente e soluti. S'impiegano anche membrane omogenee a base di resine poliammidiche. Le membrane per o. i. attualmente prodotte non sono perfettamente semipermeabili, cioè si lasciano attraversare, oltre che dal solvente, anche da una certa quantità di soluto; indicativa dell'effettiva selettività di una membrana è la cosiddetta "reiezione", definita dal rapporto (C1 − C2)/C1, dove C1 e C2 sono le concentrazioni del soluto rispettivamente nell'alimentazione e nel liquido che attraversa la membrana. In genere il rapporto di reiezione e il flusso di solvente attraverso una membrana variano inversamente l'uno all'altro nel senso che le membrane caratterizzate dai più elevati valori del rapporto di reiezione si lasciano attraversare da un minor flusso di solvente. Durante l'esercizio il rapporto di reiezione tende a diminuire in misura talora assai marcata a causa dell'idrolisi dell'acetato di cellulosa; diminuisce anche il flusso di solvente, soprattutto durante il primo periodo di esercizio.
Le equazioni che esprimono in forma integrata il trasporto di materia attraverso una membrana per o. i. che separa due soluzioni saline a diversa concentrazione sono: JV = LP(ΔP − σΔπ), JS = ωΔπ + (1 − σ)CSJV, dove JV e JS sono rispettivamente il flusso volumetrico e il flusso di soluto attraverso la membrana, ΔP è la differenza di pressione fra le due superfici della membrana, Δπ è la differenza di pressione osmotica fra le due soluzioni, CS è la concentrazione media del soluto attraverso la membrana. La caratterizzazione di una membrana per o. i. è data dalla conoscenza dei tre coefficienti termodinamici di trasporto: LP (coefficiente di filtrazione), σ (coefficiente di riflessione) e ω (coefficiente di permeabilità del soluto).
A partire dagli anni Settanta, i miglioramenti delle tecniche di preparazione delle membrane hanno consentito di applicare in scala industriale ambedue le operazioni descritte.
Fra gl'impieghi dell'u., alcuni dei quali, però, ancora in fase di verifica o di perfezionamento tecnologico, sono da annoverare la separazione di enzimi e di vitamine da brodi di fermentazione, la purificazione di succhi zuccherini, il ricupero di amminoacidi e di carboidrati da miscele ottenute per trasformazione chimica o biologica di prodotti naturali, il ricupero di vernici contenute negli scarichi provenienti dalla verniciatura elettroforetica, e soprattutto nel settore dell'industria lattiero-casearia la separazione di proteine contenute nel siero di caseificazione e l'ottenimento di latti dietetici a basso tenore di lattosio a partire da latte intero.
Le principali applicazioni dell'o. i., che appare destinata a uno sviluppo sempre crescente, riguardano:
a) la dissalazione di acque salmastre (con salinità inferiore a 10 g/l): nel 1974 la stima mondiale della capacità installata degl'impianti di o. i. destinati a questo scopo era di circa 75.000 m3 di acqua trattata al giorno (v. anche dissalazione, in questa App.);
b) il trattamento di scarichi liquidi industriali di varia provenienza (bagni galvanici, lavorazioni dell'industria cartaria, caseifici, ecc.) con ricupero di sottoprodotti pregiati (nichel, ecc.);
c) la concentrazione di sciroppi zuccherini, di succhi di frutta, di estratti di caffè e tè, ecc.
In particolare, per quanto concerne le applicazioni dell'u. e dell'o. i. nell'industria alimentare, ricordiamo che tali operazioni, operando senza aggiunta di calore o di sostanze chimiche (al contrario di quanto accade nei processi tradizionali di separazione e di purificazione: evaporazione, precipitazione chimica, ecc.), consentono una migliore conservazione dei caratteri organolettici e nutrizionali dei prodotti.
Bibl.: U. Merten, Transport properties of osmotic membranes, in Desalination by reverse osmosis, Cambridge, Mass., 1966; A.S. Michaels, Ultrafiltration, in Progress in separation and purification, New York 1968; S. Sourirajan, Reverse osmosis, ivi 1970; D. Pepper, in Effluent and water treatment journal, vol. 13 (1973), p. 779.