L'industria della desalinizzazione, una fonte fondamentale di acqua potabile in molte regioni aride, ha generato più di 13 miliardi di dollari l'anno scorso e si prevede che raddoppierà entro un decennio. La maggior parte degli impianti di desalinizzazione oggi utilizza un processo chiamato osmosi inversa (RO), che spinge l'acqua attraverso enormi rotoli di membrane, lasciando il sale alle spalle. Una delle sfide operative più costose per tali impianti è l'incrostazione di queste membrane da parte dei microrganismi.

Ora, la ricerca del MIT suggerisce un approccio diverso per ridurre il tasso di incrostazione e quindi migliorare l'efficienza degli impianti RO.

L'idea prevalente nel settore è stata che l'alta pressione richiesta da RO è responsabile del tasso relativamente alto di incrostazioni, rispetto ad altri sistemi come l'osmosi diretta. Ma lo studio del MIT mostra che non è così, una scoperta che apre nuovi approcci per ridurre il fouling in RO. La ricerca, di Emily Tow '12, SM '14, PhD '17 e professore del MIT John H. Lienhard V, è stato recentemente pubblicato su Journal of Membrane Science e presentato alla conferenza sulla tecnologia delle membrane AMTA/AWWA 2017, dove ha ricevuto lo Student Best Paper Award.

Molti esperti ritengono che l'alta pressione in un sistema RO comprima i tappeti microbici che crescono sulle membrane, e che questa "compattazione" rende la crescita molto più difficile da rimuovere. In contrasto, nei sistemi ad osmosi diretta (FO) a bassa pressione, meno efficienti dal punto di vista energetico ma più resistenti alle incrostazioni, si pensa che il tappetino apparentemente più largo sia più facile da pulire.

Però, questi tappeti microbici sono generalmente pieni d'acqua, che non si comprime sotto pressioni RO, quindi "non c'è una buona ragione per cui l'alta pressione debba peggiorare le incrostazioni, " Dice Tow. Paragona i microbi a un subacqueo:"C'è molta pressione sul fondo dell'oceano, ma non ti fa restare attaccato al fondo del mare." Ma se la pressione non ha importanza, e le portate attraverso i sistemi FO e RO sono simili, cosa potrebbe spiegare la disparità nella resistenza al fouling?

Trainare, che ora è un ITRI-Rosenfeld Postdoctoral Fellow presso il Lawrence Berkeley National Laboratory e sarà professore di ingegneria meccanica all'Olin College il prossimo anno, ha ideato un nuovo approccio per isolare gli effetti della pressione da quelli di altre differenze tra FO e RO. Il suo metodo prevede l'utilizzo di un sistema FO, che usa l'osmosi per tirare l'acqua attraverso le membrane, ad una gamma di pressioni fino a 40 atmosfere.

"Abbiamo misurato i tassi di incrostazione e i risultati di pulizia, e persino video registrati delle membrane che vengono pulite a varie pressioni, e non abbiamo riscontrato alcun effetto di pressione, " dice. Molti giornali molto citati hanno affermato che la pressione era il problema, ma esperimenti precedenti hanno anche variato la concentrazione della soluzione sul lato posteriore della membrana al variare della pressione. Aumentando la pressione su entrambi i lati di un sistema FO senza modificare nient'altro, lo studio del MIT ha rivelato che la pressione da sola non aggrava le incrostazioni né impedisce la pulizia.

Ora che l'alta pressione, essenziale per il funzionamento del RO, ha dimostrato di non influire sul fouling, i ricercatori dovrebbero cercare altri motivi per cui processi come FO sono più resistenti alle incrostazioni e vedere se possono essere applicati a RO, Dice il traino.

"L'osservazione che le membrane ad osmosi in avanti sono più facili da pulire è abbastanza solida, "dice Lienhard, che è l'Abdul Latif Jameel Professor of Water and Food e direttore del Center for Clean Water and Clean Energy e dell'Abdul Latif Jameel World Water and Food Security Lab. Ma il nuovo studio mostra che la resistenza al fouling di FO "non è intrinseca alla sua bassa pressione. La differenza deve essere correlata ad altri fattori che potrebbero essere potenzialmente trasferibili al RO. Deve essere compreso, " lui dice.

"La speranza è che con ulteriore lavoro, questo potrebbe rendere più facile la pulizia delle membrane RO, " dice. Attualmente, la mitigazione del fouling della membrana è una parte importante delle spese operative non energetiche di un impianto RO, che rappresentano circa un quarto del costo dell'acqua desalinizzata. Qualsiasi miglioramento della resistenza alle incrostazioni potrebbe avere un impatto significativo sul costo dell'acqua.

È possibile che la differenza nel modo in cui il fouling influisca sulle membrane RO e FO abbia a che fare con lo strato di supporto della membrana, che è il supporto sul sottile, strato di filtraggio del sale. Informazioni, le interazioni tra lo strato di supporto e la soluzione concentrata che tocca influenzano l'andamento del flusso d'acqua attraverso la membrana, che determina il modo in cui i foulant si accumulano sulla superficie della membrana, dice traino. Le future membrane RO potrebbero essere progettate in modo che il fouling si verifichi in uno schema simile a quello di FO, o anche un nuovo modello ottimizzato per una facile pulizia.

Migliorare la capacità di pulire le membrane usate potrebbe influire non solo sul costo dell'acqua ma anche sull'affidabilità degli impianti di desalinizzazione, sottolinea Lienhard. "Gli arresti a causa di una fioritura algale possono a volte interrompere la fornitura di acqua per giorni o settimane, " dice. Comprendere i fondamenti del fouling, compreso l'effetto della pressione, consente lo sviluppo di metodi di mitigazione del fouling più mirati.

Questa ricerca "sfata la convinzione diffusa che la pressione provochi o complichi le incrostazioni nei sistemi di osmosi inversa, e la corrispondente convinzione che la mancanza di pressione riduca il fouling nei sistemi ad osmosi in avanti, "dice Richard L. Stover, direttore dell'Associazione internazionale di desalinizzazione, chi non era coinvolto in questo lavoro. Il nuovo studio, lui dice, "identifica le ipotesi che hanno distorto o limitato l'interpretazione dei dati dei test negli studi [precedenti] e fornisce nuovi dati sperimentali che dimostrano chiaramente e definitivamente la sua tesi".

I nuovi meccanismi proposti dai ricercatori "spiegano qualitativamente la resistenza al fouling osservata nei sistemi FO, fornendo una direzione chiara e un contesto eccezionale per la ricerca futura, " dice Stover. "Nel complesso, il lavoro rappresenta un contributo significativo alla più ampia comprensione dei meccanismi di fouling delle membrane e del loro possibile abbattimento. In poche parole, è un bel lavoro".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.