Osmosi diretta

Fig. 1, Potenziale di calore di scarto per settore industriale nell'UE (%), Valutazione preliminare del potenziale di calore di scarto nei principali settori industriali europei (2017)

2) Funzione del processo

Fig. 2, Schema semplificato del processo FO

L'FO utilizza la differenza di pressione osmotica (Δπ) tra la soluzione di alimentazione (concentrazione C₁) e una soluzione di richiamo sintetica (DS), che prepariamo con C₂ > C₁ > π₂ > π₁ = π₂ - π₁. A causa di Δπ, le molecole d'acqua dall'alimentazione inizieranno a spostarsi verso la soluzione di richiamo, creando un flusso d'acqua che rimuove circa il 70% dell'acqua dall'alimentazione (recupero massimo del 65% (R) per l'osmosi inversa dell'acqua di mare, SWRO e dell'80% per l'osmosi inversa dell'acqua salmastra, BWRO). Inoltre, poiché l'osmosi diretta (FO) non utilizza pressione applicata per superare la pressione osmotica, può gestire livelli di TDS molto più elevati rispetto all'osmosi inversa (RO) (circa 200.000 ppm (mg/L) per FO e 70.000 ppm (mg/L) per RO). Questo rende l'FO ideale per il trattamento di salamoie ad alta salinità.

Fig. 3, Consumi energetici specifici (SEC) delle tecnologie di trattamento della salamoia in kWh/m3 rispetto alla loro capacità massima di TDS in mg/L (ppm). In serie abbiamo Multi Stage Flash (MSF), Multiple Effect Distillation (MED), Mechanical Vapor Compression (MVC), Electrodialysis/Electrodialysis Reversal (ED/EDR), Forward Osmosis (FO), Membrane Distillation (MD). FO e MD possono utilizzare il calore di scarto fino al 90% del loro fabbisogno di energia termica.

Il flusso d'acqua in FO dipende da,

• La differenza di pressione osmotica
• La struttura della membrana
• Le specie DS
• Le proprietà di incrostazione dell'alimentazione

Le membrane FO sono di struttura semplice (CTA) e di struttura composita (TFC).

Le membrane TFC hanno dimostrato prestazioni migliori in laboratorio a livello mondiale.

Le specie DS sono solitamente sali inorganici che possono essere trattenuti nel circuito di rigenerazione per lungo tempo prima che sia necessario aggiungerne altri.

3) Vantaggi e svantaggi

Vantaggi:

Non essendo utilizzata pressione applicata, lo strato di incrostazione sulla superficie della membrana non è compatto, il che significa che i metodi di pulizia fisica possono ripristinare il flusso d'acqua della membrana (Fig. 4). Ciò significa un minore utilizzo di sostanze chimiche, una maggiore durata delle membrane e costi complessivi inferiori.

Fig. 4, Spiegazione della natura reversibile dell'incrostazione FO. A destra abbiamo una tipica membrana RO in cui applichiamo pressione per spingere l'acqua attraverso. La pressione applicata crea uno strato di contaminanti dell'acqua di alimentazione sulla superficie della membrana. D'altra parte, a sinistra abbiamo una membrana FO dove non viene applicata alcuna pressione, quindi la deposizione dei contaminanti è molto discontinua e possono essere rimossi con metodi fisici (ad esempio, controlavaggio osmotico).

Svantaggi:

L'osmosi diretta soffre di due problemi principali:

• Polarizzazione di concentrazione (CP)
• Flusso salino inverso

La polarizzazione di concentrazione nelle membrane FO è esterna (ECP) e interna (ICP). L'ECP è un fenomeno comune nei processi RO e può essere ridotta migliorando le condizioni di flusso incrociato mediante l'utilizzo di distanziatori sulla superficie delle membrane.

Nell'ICP, le molecole di DS si accumulano all'interno dei pori della membrana e riducono il gradiente di pressione osmotica, diminuendo così la differenza di pressione osmotica che rappresenta la forza motrice del processo FO. Negli ultimi anni, la comunità scientifica si è impegnata a fondo per contrastare l'effetto ICP e ha ottenuto risultati molto promettenti con metodi fisici in grado di migliorare l'elevata efficienza già presente nell'FO.

FO → ↓Flusso d'acqua dovuto all'ICP (mitigabile con metodi fisici), le specie di DS possono contaminare l'acqua di alimentazione con un flusso di sali inverso (è necessario prestare attenzione alla selezione delle specie di DS)

4) Applicazioni nell'industria di processo