“Desalinizzazione: processi tecnologici disponibili” è il nuovo articolo frutto della collaborazione tra la Sezione Valorizzazione della Ricerca e Public Engagement – Agorà Scienza – e dal Green Office UniToGO dell’Università di Torino con la IdeeGreen S.r.l. Società Benefit.
L’articolo riprende i testi del Prof. Marco Minella pubblicati nell’opera “Lessico e Nuvole: le parole del cambiamento climatico”, la seconda edizione della guida linguistica e scientifica per orientarsi nelle più urgenti questioni relative al riscaldamento globale, curata dalla Sezione e dal Green Office.
La versione gratuita di Lessico e Nuvole, sotto forma di file in formato .pdf, è scaricabile dalla piattaforma zenodo.org.
La versione cartacea è acquistabile online sulle seguenti piattaforme di distribuzione:
– Amazon
– Mondadori (anche con Carta del Docente e 18app)
– IBS
– Libreria Universitaria (anche con Carta del Docente e 18app)
Tutto il ricavato delle versioni a pagamento sarà utilizzato dall’Università di Torino per finanziare progetti di ricerca e di public engagement sui temi dei cambiamenti climatici e della sostenibilità.
L’acqua salata presente sul nostro pianeta
Il 71% della superficie terrestre è ricoperto da acqua, ma solo una frazione molto piccola di questa è direttamente utilizzabile per l’alimentazione umana. Il 95,5% dell’acqua sulla Terra è infatti acqua salata presente in mari e oceani, l’1,74% è acqua delle calotte polari (acqua dolce ma difficilmente sfruttabile), lo 0,76% è acqua dolce sotterranea e meno dello 0,01% è acqua dolce presente in laghi e fiumi. Solo le ultime due fonti possono fornire acqua con un contenuto salino tale da essere adatta all’alimentazione umana, non per niente il Vecchio Marinaio della ballata The Rime of the Ancient Mariner di Samuel Taylor Coleridge diceva “Water, water everywhere, / Nor any drop to drink!” (“Acqua, acqua ovunque, / e neanche una goccia da bere!”).
È evidente da una parte la necessità di preservare le risorse di acqua dolce, dall’altra la necessità di sviluppare tecnologie per l’ottenimento di acqua potabile da acque ad alto contenuto salino specialmente in zone ove le risorse di acqua dolce sono scarse o in via di esaurimento, anche a causa degli impatti dei cambiamenti climatici.
Le tecnologie per la produzione di acque adatte all’alimentazione umana a partire da acque ricche in sali sono note come processi di desalinizzazione o dissalazione. Il processo di desalinizzazione è, dal punto di vista termodinamico, non spontaneo; per ciò, qualunque sia la tecnologia adottata questa richiede un input energetico. L’ottenimento di acqua potabile da acque salmastre è caratterizzato quindi da un’impronta ecologica potenzialmente non trascurabile. In più i processi di dissalazione producono da una parte acqua a basso contenuto salino, dall’altra soluzioni ipersaline che non possono essere direttamente conferite ad un ambiente acquatico accettore rappresentando un rifiuto pericoloso per l’ambiente.
Processi tecnologici per la desalinizzazione dell’acqua
I processi tecnologicamente disponibili per la desalinizzazione sono di tre tipologie.
Dissalatori evaporativi
Si basano sull’evaporazione e successiva condensazione del solvente in sistemi a più stadi. Tra le tecnologie maggiormente sviluppate vi sono i dissalatori a multiplo effetto (in cui un fluido caldo, tipicamente vapore acqueo, permette l’evaporazione del solvente i cui vapori vengono fatti condensare e il calore latente di condensazione utilizzato per l’evaporazione di ulteriore acqua nello stadio successivo) oppure dissalatori multiflash (MSF) dove l’evaporazione dell’acqua salata avviene in evaporatori successivi a pressioni via via decrescenti
Dissalatori per scambio ionico
Si basano sull’utilizzo di resine capaci di rimuovere gli ioni Na+ e Cl– con ioni H+ e OH– e quindi portare a una netta diminuzione della concentrazione salina dell’acqua. Questi sistemi risultano inadatti a trattare grandi volumi o flussi di acque eccessivamente ricche di sali. Il processo è inoltre un processo discontinuo poiché una volta scambiati tutti gli ioni H+ e OH– inizialmente presenti sulla resina, questa deve essere rigenerata.
Dissalatori a membrana e in particolare tecnologie a osmosi inversa (OI)
Per comprendere questo processo si pensi a un tubo a U aventi due bracci comunicanti separati da una membrana semipermeabile (permeabile cioè al solvente, l’acqua, e non ai soluti, ad esempio il cloruro di sodio dell’acqua di mare). Mettendo in uno dei due bracci acqua demineralizzata e nell’altro acqua salmastra, si verifica un netto flusso di acqua (flusso osmotico) verso la soluzione salina che vedrà diminuire la sua concentrazione in NaCl. Il processo in questione è esattamente l’opposto di quanto voluto in un desalinizzatore.
Al fine di osservare un flusso di acqua priva di sali dalla soluzione concentrata a quella diluita è necessario imporre una pressione al di sopra della prima, al fine di invertire la direzione del flusso osmotico. Al termine del processo la soluzione salina si sarà ulteriormente concentrata e si sarà ottenuto dell’acqua demineralizzata. Gli impianti industriali, chiaramente con soluzioni tecnologicamente diverse e membrane dalla corretta porosità (inferiore a 1 nm), sfruttano questo principio. È chiaro che, affinché un processo di osmosi inversa possa avvenire, è necessario fornire energia al sistema (sottoforma di pressione in testa alla soluzione più concentrata, fino a 100 bar in impianti industriali) per cui, a seconda della fonte energetica utilizzata (fonti fossili o fonti rinnovabili), l’impatto ambientale dell’intero processo può essere più o meno marcato.
Sono attualmente in fase di studio tecnologie a membrana in cui il flusso di acqua priva di sali che si muove in direzione contraria al flusso osmotico è garantito dall’applicazione di un gradiente di temperatura, per tali ragioni si parla di processi di distillazione a membrana. Tali processi sono basati sull’utilizzo di membrane idrofobiche micro-porose e di temperature di esercizio relativamente basse (60-90 °C). L’energia termica può essere ad esempio fornita al sistema attraverso pannelli solari termici o attraverso sistemi si recupero di calore di centrali termoelettriche.
Attualmente le tecnologie a osmosi inversa e quelle multiflash sono quelle maggiormente diffuse. La scelta della tecnologia da applicare è funzione non solo delle proprietà dell’acqua da trattare, ma anche di aspetti quali il costo del lavoro, l’area disponibile per l’impianto, il costo e la richiesta locale di energia. Circa il 50% degli impianti di dissalazione sono presenti nell’area mediorientale (per lo più MSF). Attualmente la tecnologia di dissalazione maggiormente installata, specialmente in Europa ove rappresenta sostanzialmente l’attuale unica scelta impiantistica, è quella a osmosi inversa
Prof. Marco Minella, Dipartimento di Chimica – Università di Torino; Coordinamento Cambiamenti Climatici UniTo GreenOffice UniToGo
Bibliografia
– Latini Gianni, Bagliani Marco, & Orusa Tommaso. (2020). Lessico e nuvole: le parole del cambiamento climatico – II ed., Università di Torino. Zenodo. http://doi.org/10.5281/zenodo.4276945
– Abdullah Alkhudhiri, Naif Darwish, Nidal Hilal, “Membrane distillation: A comprehensive review”, Desalination 287 (2012) 2–18.
– Tzahi Y. Cath, Amy E. Childress, Menachem Elimelech, “Forward osmosis: Principles, applications, and recent developments, Journal of Membrane”, Science 281 (2006) 70–87
– Menachem Elimelech and William A. Phillip, “The Future of Seawater Desalination: Energy, Technology, and the Environment”, Science 333 (6043), 712-717.
– Lauren F. Greenlee, Desmond F. Lawler, Benny D. Freeman, Benoit Marrot, Philippe Moulin, “Reverse osmosis desalination: Water sources, technology, and today’s challenges”, Water Research 43 (2009) 2317–2348.
– Mark A. Shannon, Paul W. Bohn, Menachem Elimelech, John G. Georgiadis, Benito J. Mariñas, Anne M. Mayes, “Science and technology for water purification in the coming decades”, Nature, 452, 2008, 301-310.- Steffen, Will L., Johan Rockström, and Robert Costanza. “How defining planetary boundaries can transform our approach to growth.” Solutions: For A Sustainable & Desirable Future (2011).