Cresciuto a Seattle, Allyson McGaughey, USC Viterbi School of Engineering Ph.D. '21, non si è mai confrontato con la realtà quotidiana della siccità. Nel deserto sempre più caldo e arido di Los Angeles, tuttavia, la scarsità d'acqua è stata messa a nudo, aumentando l'urgenza di trovare soluzioni idriche alternative.

In una ricerca pubblicata sul Journal of Membrane Science , McGaughey, in coordinamento con Amy Childress, Distinguished Professor dell'USC Viterbi Gabilan, ha rivelato nuove intuizioni sul modo migliore per progettare processi di purificazione dell'acqua, ad esempio il trattamento delle acque reflue in un impianto di trattamento delle acque, utilizzando la distillazione a membrana (MD). MD è un processo che separa il sale dall'acqua utilizzando una membrana sottile, secca e porosa. Le differenze di temperatura moderate spingono l'acqua a passare da un lato all'altro.

Per capirlo meglio, pensa a uno scolapasta, ma con fori molto, molto più piccoli. Un flusso d'acqua versato attraverso il filtro verrà "ripulito" da alcuni materiali nell'acqua che sono troppo grandi per passare attraverso i fori del filtro (come i pori di una membrana), lasciando un flusso "pulito" sull'altro lato del filtro. Tuttavia, qualsiasi cosa più piccola di quei buchi, come il sale disciolto nell'acqua della nostra pasta, può ancora passare. Per purificare ulteriormente, e se potessimo raccogliere solo il vapore, o vapore acqueo puro? Ora, immagina un colino che consenta solo al vapore, non all'acqua liquida, di passare attraverso i fori. Quindi, anche i sali disciolti non possono passare. Utilizzando una membrana molto idrofobica (che teme l'acqua) che fa proprio questo, MD può essere utilizzato per estrarre acqua pura e dissalata da flussi contaminati.

Il successo della distillazione a membrana, hanno affermato i ricercatori, si basa in gran parte su progetti di membrane che possono ridurre o eliminare l'umidità che si accumula nella membrana. Se una membrana si bagna, affermano i ricercatori, può perdere la sua efficacia, compromettendo la qualità dell'acqua trattata. A tal fine, McGaughey, ora borsista post-dottorato all'Università di Princeton, ha studiato il modo migliore per progettare le membrane in modo che non si bagnino eccessivamente e trattino con successo l'acqua, eliminando sale e contaminanti e creando un deflusso di alta qualità o puro.

Tra le loro scoperte chiave, ha affermato McGaughey, c'è che la riduzione della dimensione dei pori della membrana o l'aumento dello spessore della membrana stessa può aumentare la resistenza all'acqua e ritardare o prevenire la contaminazione del flusso di acqua purificata.

Le membrane sono in genere costituite da un materiale sintetico idrofobo o resistente all'acqua con pori piccoli da 0,1 a 0,5 micrometri. McGaughey ha affermato che mentre altri processi sono in genere più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alla distillazione a membrana, ad esempio un processo chiamato osmosi inversa, nel caso di flussi d'acqua più salati, questi processi più tipici richiedono una formidabile quantità di pressione per forzare le molecole d'acqua attraverso la membrana . Così, rendendoli meno pratici per il trattamento di ruscelli molto salati.

Al contrario, la distillazione a membrana consente di purificare l'acqua più salata in modo più efficiente rispetto all'osmosi inversa e consente agli scienziati di purificare le acque reflue più salate che di solito vengono smaltite perché non possono essere pulite in modo efficiente dai tradizionali processi di trattamento delle acque.

Il problema, ha detto McGaughey, è che le membrane che filtrano le acque reflue possono bagnarsi eccessivamente. "Nell'osmosi inversa utilizziamo membrane dense che non sono porose in modo che solo le molecole d'acqua possano attraversarle, ma nella distillazione delle membrane ci sono dei fori nelle membrane che possono consentire la contaminazione se si bagnano", ha affermato.

Ottimizzazione della distillazione a membrana per aumentare la resistenza all'acqua delle membrane

La desalinizzazione è intrinsecamente un processo costoso e ad alta intensità energetica a causa delle proprietà chimiche del sale e dell'acqua. Il sale si dissolve facilmente in acqua, creando legami molto difficili da rompere, hanno affermato i ricercatori.

"Se avessimo una scelta, non saremmo affatto desalinizzati", ha detto McGaughey, "ma abbiamo sempre più bisogno di quell'acqua".

Con la distillazione a membrana, McGaughey ha affermato che un flusso salato riscaldato viene posizionato su un lato di una membrana secca e un flusso di acqua fresca e pura sull'altro. La differenza di temperatura tra i due corsi d'acqua è la forza motrice che muove l'acqua da una parte all'altra. Per separare l'acqua pura dal sale e da altri contaminanti, le molecole d'acqua nel flusso salato si trasformano da liquido in gas vapore a causa del calore.

All'interno dei pori asciutti della membrana, c'è un piccolo spazio d'aria che consente la raccolta del vapore, che si verifica quando l'acqua salata viene riscaldata ed evapora, passando attraverso la membrana lasciando dietro di sé il sale. Poiché il traferro è piccolo, non è necessario molto calore per trasformare l'acqua salata in vapore, il che significa che puoi utilizzare l'energia solare per riscaldare il liquido salato. Il vapore rappresenta l'acqua purificata o distillato, che sull'altro lato della membrana, viene raffreddata, dall'acqua fredda, e ritorna in forma liquida.

La resistenza della membrana all'acqua liquida, o resistenza alla bagnatura, è fondamentale per garantire che il flusso di distillato sia effettivamente purificato e non contaminato. Quando la membrana si bagna, l'acqua liquida si mescola dalle acque reflue, o dal flusso salino, al flusso dell'acqua purificata, creando un output di qualità inferiore, forse anche un output d'acqua che non soddisferebbe gli standard di potabilità.

Cercare di capire come una membrana perde la sua resistenza alla bagnatura a un livello fondamentale e come questo può essere prevenuto attraverso l'idrofobicità del materiale della membrana e la dimensione dei pori è fondamentale, hanno affermato i ricercatori.

"Ora abbiamo membrane che funzionano, ma quando si sale a salinità estremamente elevate e si ottengono precipitazioni saline sulla superficie della membrana, questa è ancora una grande sfida", ha affermato McGaughey.

Sfide emergenti nell'approvvigionamento idrico

"La gestione dei flussi di rifiuti ad alta salinità è una sfida importante, ad esempio i flussi di rifiuti industriali", ha affermato McGaughey.

"La [distillazione a membrana] non sarà mai più efficiente dal punto di vista energetico dell'osmosi inversa, ma può utilizzare l'energia solare termica o il calore "rifiuto" di bassa qualità, il che significa che può fare affidamento sull'energia verde. Ciò significa meno emissioni di carbonio rispetto all'elettricità usiamo per guidare l'osmosi inversa e può raggiungere anche flussi di salinità più elevati", ha affermato.

Invece di un singolo processo come una soluzione autonoma, McGaughey ha affermato che la distillazione a membrana potrebbe essere un complemento all'osmosi inversa, ad esempio qualcosa che puoi utilizzare a valle (più avanti nel processo di trattamento dell'acqua), dopo un trattamento di osmosi inversa.

"La distillazione a membrana potrebbe essere utilizzata sul flusso di acqua salata rifiutato che esce dall'osmosi inversa per massimizzare l'uso dell'acqua disponibile", ha affermato.

McGaughey ha anche affermato che la distillazione a membrana potrebbe avere applicazioni anche nelle regioni rurali e non elettrificate.