Distillazione a membrana a contatto diretto
- Introduzione
- Funzione del processo
- Vantaggi e svantaggi
- Applicazioni industriali del processo
1) Introduzione
La distillazione a membrana (MD) è un processo di trasporto a energia termica che utilizza membrane idrofobiche. La forza motrice del metodo è la differenza di pressione di vapore tra i due lati dei pori della membrana, che consente il trasferimento di massa e calore dei componenti volatili della soluzione (ad esempio, l'acqua). La semplicità della MD, unita alla possibilità di utilizzare calore di scarto e/o fonti di energia alternative, come l'energia solare e geotermica, permette di combinarla con altri processi in sistemi integrati, rendendola una tecnica di separazione promettente.
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 MD.
La forza motrice del processo MD è data dalla differenza di pressione di vapore generata da una differenza di temperatura attraverso la membrana. Poiché la forza motrice non è una forza motrice puramente termica, la MD può essere mantenuta a una temperatura molto più bassa (30-60°C) rispetto alla distillazione termica convenzionale. La natura idrofobica della membrana impedisce l'ingresso delle molecole d'acqua a causa della tensione superficiale. Quest'ultima non si applica però al vapore acqueo, che crea una differenza di pressione e viaggia attraverso il sistema di pori della membrana, condensandosi sul lato freddo opposto della membrana. Il processo rimuove circa l'85% di acqua dalla soluzione di alimentazione e può essere riassunto in tre fasi: (1) formazione di un gap di vapore all'interfaccia tra la soluzione di alimentazione calda e la membrana; (2) trasporto della fase vapore attraverso il sistema microporoso; (3) condensazione del vapore all'interfaccia tra la membrana del lato freddo e la soluzione permeata.
Il modo in cui viene creata la differenza di pressione di vapore attraverso la membrana è determinato dalla configurazione del modulo MD. Nella configurazione più comunemente utilizzata, la distillazione a membrana a contatto diretto (DCMD), il lato permeato è costituito da un liquido di condensazione (spesso acqua pulita) che è a diretto contatto con la membrana In alternativa, il solvente evaporato può essere raccolto su una superficie di condensazione che può essere separata dalla membrana tramite un'intercapedine d'aria (AGMD) o un vuoto (VMD), oppure può essere scaricato tramite un gas di lavaggio freddo e inerte (SGMD).
Fig. 3, configurazioni MD.
La scelta della membrana è il fattore più cruciale per le prestazioni di separazione MD. Esistono due tipi comuni di configurazioni di membrana,
- Membrana a fibra cava realizzata principalmente in polipropilene (PP), polivinilidenfluoruro (PVDF) e materiale composito PVDF-politetrafluoroetilene (PTFE).
- Membrana a foglio piano realizzata principalmente in PP, PTFE e PVDF.
Il PTFE presenta la massima idrofobicità, una buona stabilità chimica e termica e resistenza all'ossidazione, ma ha anche la massima conduttività, il che comporta un maggiore trasferimento di calore attraverso le membrane in PTFE (riducendo quindi la differenza di temperatura e il trasferimento di vapore). Il PVDF ha una buona idrofobicità, resistenza termica e resistenza meccanica e può essere facilmente trasformato in membrane con diverse strutture porose. Il PP presenta una buona resistenza termica e chimica.
Fig. 4, 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.
3) Vantaggi e svantaggi
Vantaggi:
- Bassi requisiti energetici
- Non risente molto della polarizzazione di concentrazione
- Rifiuto teorico del 100% dei componenti non volatili, nessun limite alla concentrazione di alimentazione
I vantaggi della MD, rispetto ai metodi di separazione convenzionali, sono principalmente la minore pressione e i bassi requisiti di temperatura (30-60 °C) che portano a minori costi energetici e a proprietà meccaniche meno gravose per i moduli. Contrariamente alla distillazione e all'osmosi inversa, la soluzione di alimentazione può essere separata a una temperatura inferiore al suo punto di ebollizione (a pressione atmosferica). Grazie ai bassi requisiti di calore, è possibile utilizzare il calore di scarto industriale, così come fonti di energia rinnovabile come solare, eolica e geotermica. Inoltre, rispetto all'osmosi inversa (RO), la distillazione a membrana (MD) è meno soggetta a limitazioni di flusso causate dalla polarizzazione di concentrazione. Temperature di alimentazione molto basse possono produrre portate di acqua di prodotto ragionevolmente elevate e possono risultare più pratiche considerando la natura di alcune impurità dell'acqua (ad esempio, problemi di incrostazioni ad alta temperatura). In teoria, la distillazione a membrana (MD) offre una ritenzione del 100% per le sostanze disciolte non volatili, senza alcun limite alla concentrazione di alimentazione.
Svantaggi:
- Consumo energetico relativamente elevato (sebbene la fonte di energia sia a bassa temperatura)
- Costo del modulo relativamente elevato
- Basso flusso rispetto ad altre membrane a pressione
- Tensioattivi o contaminanti anfifilici possono causare la bagnatura della membrana (perdite di soluzione salina attraverso la membrana, contaminando il permeato)
I principali fattori che ancora ostacolano l'applicazione industriale della MD sono il flusso di permeato relativamente basso rispetto ai processi a membrana a pressione, le riduzioni di flusso causate dalla polarizzazione di concentrazione, dall'incrostazione e dalla bagnatura dei pori della membrana, l'elevato costo dei moduli MD e l'elevato consumo di energia termica.
4) Applicazioni nell'industria di processo
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Distillazione a membrana