08:09 L'acqua dolce può scarseggiare anche se l'oceano si trova nelle vicinanze. Tuttavia, pompare acqua di mare non trattata direttamente in un sistema RO standard può comportare un elevato consumo energetico, la formazione di incrostazioni, l'intasamento delle membrane e una scarsa qualità dell'acqua trattata. Un sistema a membrana per la desalinizzazione dell'acqua di mare progettato correttamente risolve questi problemi passo dopo passo.
Una membrana per la desalinizzazione dell'acqua di mare è una membrana ad osmosi inversa ad alto grado di separazione, progettata per separare i sali disciolti dall'acqua di mare sotto alta pressione. In un impianto di osmosi inversa (RO) per l'acqua di mare, il pretrattamento protegge la membrana; la pressione spinge l'acqua attraverso lo strato attivo della membrana; i sali respinti vengono espulsi sotto forma di concentrato; infine, il permeato viene ulteriormente trattato per produrre acqua dolce destinata all'uso comunale o industriale.
Guida alle membrane per la desalinizzazione dell'acqua di mare: come le membrane ad osmosi inversa trasformano l'acqua di mare in acqua dolce
Una membrana per la desalinizzazione dell'acqua di mare è un tipo di membrana ad osmosi inversa progettata per acque di alimentazione con una concentrazione salina molto più elevata rispetto alla normale acqua di rubinetto o alla maggior parte delle fonti di acqua salmastra.
L'acqua dell'oceano contiene in media circa 35.000 ppm di sali disciolti, anche se la composizione esatta dell'acqua di mare varia a seconda della località. L’U.S. Geological Survey classifica come altamente salina l’acqua con un contenuto di sali disciolti compreso tra 10.000 e 35.000 ppm e osserva che l’acqua dell’oceano si colloca nella parte superiore di tale intervallo.
A causa di questa elevata salinità, l'acqua di mare richiede una pressione molto più elevata rispetto alle normali applicazioni di osmosi inversa (RO) a bassa salinità.
Un tipico elemento a membrana è costituito da un'ampia superficie di membrana avvolta a spirale, alloggiata all'interno di un recipiente a pressione. Lo strato attivo è solitamente costituito da una struttura composita in poliammide a film sottile, progettata per consentire il trasporto dell'acqua limitando al contempo in modo significativo il passaggio degli ioni disciolti.
In parole povere:
Acqua di mare
↓
Alta pressione
↓ Membrana RO
↙ ↘
Fresco Concentrato
Permeato SalamoiaIl permeato diventa acqua desalinizzata, mentre il sale respinto esce dal sistema a membrana sotto forma di un flusso di salamoia concentrata.
L'osmosi naturale fa fluire l'acqua attraverso una barriera semipermeabile verso il lato con la maggiore concentrazione di soluto disciolto.
Osmosi inversa fa il contrario.
Una pompa ad alta pressione esercita una pressione sufficiente sul lato dell'acqua di mare per superare la pressione osmotica. L'acqua attraversa quindi la membrana semipermeabile, mentre la maggior parte dei sali disciolti rimane nei flussi di alimentazione e di concentrato.
L'USGS descrive l'osmosi inversa come il processo che consiste nel far passare l'acqua salina attraverso una membrana semipermeabile in modo da separare l'acqua dal sale disciolto.
Il processo può essere sintetizzato come segue:
Acqua di alimentazione → Pressione → Separazione a membrana → Acqua prodotta + Concentrato
È una spiegazione diffusa, ma troppo semplicistica.
Si parla spesso dei pori delle membrane, eppure le moderne membrane RO composite a film sottile non si comportano come un normale filtro a rete o a cartuccia con fori chiaramente definiti.
Una spiegazione ingegneristica più accurata è che l'acqua e le sostanze disciolte interagiscono in modo diverso con lo strato denso e attivo della membrana. Le molecole d'acqua attraversano tale strato molto più facilmente rispetto alla maggior parte degli ioni disciolti.
Ecco perché la tecnologia delle membrane ad osmosi inversa è in grado di garantire un’elevatissima percentuale di rimozione del sale, anche se l’osmosi inversa non va intesa semplicemente come un processo meccanico di setacciatura delle particelle.
Un elemento per l'osmosi inversa dell'acqua di mare e un elemento per l'acqua salmastra possono sembrare simili dall'esterno.
Entrambi possono utilizzare i formati fisici standard 4040 o 8040.
Ma le dimensioni non indicano la pressione richiesta, il tasso di ritenzione del sale, le caratteristiche chimiche della membrana né l'applicazione.
Questa distinzione è importante.
Le attuali informazioni sui prodotti RO di Banott precisano che i codici 4040 e 8040 indicano formati fisici standard, mentre le prestazioni effettive in termini di portata e ritenzione devono essere valutate in base al tipo di membrana e alle relative condizioni di prova.
| Fattore | Osmosi inversa per acque salmastre | Osmosi inversa con acqua di mare |
|---|---|---|
| Salinità del mangime | Inferiore | Molto più alto |
| Pressione osmotica | Inferiore | Più alto |
| Pressione richiesta | Inferiore | Più alto |
| Scelta della membrana | Specifico per BWRO | Specifico per SWRO |
| Applicazione principale | Acqua di pozzo/acqua di processo | Desalinizzazione dell'acqua di mare |
| Domanda energetica | Inferiore | Più alto |
| L'importanza del pretrattamento | Alto | Molto alto |
A titolo di confronto, DuPont pubblica dati relativi a test su membrane per acque salmastre a circa 2.000 ppm di NaCl e 15,5 bar, mentre diversi elementi SWRO commerciali di piccole dimensioni vengono testati a circa 32.000 ppm di NaCl e 55 bar. Si tratta di condizioni di prova standardizzate, non di valori operativi universali degli impianti.
Ciò spiega perché una membrana RO standard per acqua salmastra non debba essere utilizzata automaticamente in un progetto che prevede l'utilizzo di acqua di mare ad alto contenuto salino.
Il processo di desalinizzazione va ben oltre la membrana stessa.
Un sistema affidabile comprende solitamente:
Presa d'acqua di mare
↓
Filtrazione a rete
↓
Pretrattamento
↓
Filtrazione a cartuccia
↓
Pompa ad alta pressione
↓
Sistema a membrane SWRO
↓
Recupero di energia
↓
Permeato
↓
Post-trattamento
↓
Acqua dolceIl Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti identifica l'aspirazione, il pretrattamento, l'osmosi inversa, il recupero energetico e il post-trattamento come le principali operazioni unitarie nei moderni sistemi di desalinizzazione dell'acqua di mare. Le tecnologie di pretrattamento possono includere filtri a rete, filtri a media, microfiltrazione, ultrafiltrazione, coagulazione e filtrazione a cartuccia.
Il permeato RO presenta un basso contenuto di minerali disciolti.
A seconda dell'applicazione finale, l'acqua prodotta potrebbe richiedere:
Se l'obiettivo è l'acqua potabile comunale, la stabilizzazione e la disinfezione rivestono particolare importanza.
Se l'obiettivo è l'acqua di processo industriale, potrebbero essere necessari ulteriori trattamenti quali osmosi inversa (RO), elettrodialisi inversa (EDI) o un trattamento di rifinitura.
Pertanto, l'obiettivo finale in termini di qualità dell'acqua dovrebbe determinare l'intero processo di trattamento.
L'acqua di mare contiene molto più che solo sale.
Potrebbe inoltre contenere:
Se questi materiali raggiungono la superficie della membrana senza un adeguato controllo, l'impianto può subire un aumento della caduta di pressione, una riduzione del flusso, un aumento del passaggio di sali e una maggiore frequenza delle operazioni di pulizia.
Questo fenomeno è noto come intasamento della membrana.
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A seconda della qualità dell'acqua di mare, il pretrattamento può comprendere:
Per acque costiere difficili, UF a fibra cava può costituire una solida barriera fisica a monte dell'impianto di osmosi inversa.
Ciò può migliorare la stabilità dell'alimentazione e contribuire a proteggere il sistema a membrana a valle.
Dal nostro punto di vista ingegneristico, la progettazione del pretrattamento dovrebbe basarsi sulle condizioni locali delle fonti, piuttosto che essere copiata da un altro progetto di desalinizzazione.
Una presa d'acqua da pozzo in una zona costiera tranquilla può comportarsi in modo molto diverso rispetto a una presa in mare aperto esposta ad alghe, tempeste, torbidità stagionale e carico biologico.
Tre dei parametri più importanti nella progettazione di un impianto a osmosi inversa sono:
Ma nessuno di essi dovrebbe essere considerato isolatamente.
Il termine “rifiuto del sale” indica l’efficacia con cui la membrana limita il passaggio del sale.
Le membrane SWRO commerciali possono raggiungere livelli di reiezione molto elevati in determinate condizioni di laboratorio. Ad esempio, i dati pubblicati da DuPont relativi a piccoli elementi SWRO mostrano valori stabilizzati di reiezione del sale compresi tra circa 99,41 TP3T e 99,71 TP3T in condizioni definite di concentrazione dell’alimentazione, temperatura, pressione e recupero.
Ciò non significa che ogni membrana in ogni impianto di desalinizzazione dell'acqua di mare produca sempre esattamente quel risultato.
La qualità effettiva dell'acqua del prodotto varia in base a:
Il flusso d'acqua indica la quantità di permeato prodotta per unità di superficie della membrana.
Un flusso maggiore può ridurre la superficie totale della membrana necessaria.
Tuttavia, un flusso troppo elevato può aumentare il rischio di incrostazioni e ridurre la stabilità a lungo termine.
L'obiettivo non è semplicemente ottenere la massima produzione per elemento a membrana.
Si tratta di una produzione stabile per tutta la durata di esercizio prevista.
L'acqua di mare ha una pressione osmotica molto più elevata rispetto alla maggior parte delle acque salmastre.
L'impianto SWRO necessita quindi di una pompa ad alta pressione.
Le condizioni di prova con acqua di mare pubblicate da DuPont prevedono solitamente una pressione di circa 55 bar per i test standard con NaCl a 32.000 ppm, mentre alcuni elementi per acqua di mare sono progettati per pressioni di alimentazione massime che raggiungono gli 83 bar. La pressione di progetto effettiva dipende dalla salinità, dalla temperatura, dal tasso di recupero, dalla scelta dell’elemento e dalla qualità desiderata del permeato.
La pressione rappresenta uno dei maggiori fattori di consumo energetico nel processo di desalinizzazione mediante osmosi inversa.
Tuttavia, il concentrato in uscita dall'array di membrane presenta ancora una pressione idraulica significativa.
Lasciarsi sopraffare da quella pressione è uno spreco di energia.
Un dispositivo di recupero dell'energia cattura parte di quella pressione e la reimmette nel flusso di acqua di mare in entrata.
Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti descrive il recupero energetico come il riciclaggio dell'energia contenuta nella salamoia ad alta pressione per contribuire ad aumentare la pressione dell'acqua di mare prima del processo di osmosi inversa (RO).
Una struttura semplificata si presenta così:
Pompa ad alta pressione
↓
Membrane SWRO
↙ ↘
Permeato - Salamoia ad alta pressione
↓
Recupero di energia
↓
Acqua di mare in entrataLa moderna tecnologia degli scambiatori di pressione consente di trasferire la pressione in modo molto efficiente; per questo motivo il recupero di energia è diventato un elemento centrale nella progettazione di molti impianti di desalinizzazione a osmosi inversa di grandi dimensioni.
Per i progetti EPC, la decisione di includere un dispositivo di recupero energetico dipende da:
Nel caso di piccoli impianti di desalinizzazione dell'acqua di mare, gli aspetti economici e la disposizione delle apparecchiature possono determinare una progettazione diversa rispetto a quella di un impianto comunale.
Anche una membrana ad osmosi inversa di alta qualità funzionerà male se le condizioni operative non sono adeguate.
Esistono diversi meccanismi principali di incrostazione.
Sulle superfici delle membrane si accumulano particelle solide fini.
Una progettazione più efficace del sistema di aspirazione, la chiarificazione, la ultrafiltrazione (UF) e la filtrazione a cartuccia possono ridurre questo rischio.
I microrganismi si attaccano alle superfici bagnate e formano biofilm.
Ciò può aumentare la pressione differenziale e ridurre le prestazioni della membrana.
I composti organici naturali possono accumularsi sulla membrana e alterarne il flusso.
Man mano che l'acqua attraversa la membrana, i sali disciolti si concentrano maggiormente nella salamoia.
Se i sali scarsamente solubili superano i propri limiti di solubilità, può formarsi del calcare.
Un maggiore recupero idrico consente di ottenere una maggiore quantità di acqua dolce da un dato volume di alimentazione.
Mi sembra interessante.
Tuttavia, un aumento del recupero comporta anche una maggiore concentrazione di sali nel flusso di scarto e può aumentare il rischio di formazione di incrostazioni.
Il recupero ottimale non è quindi sempre il valore più alto possibile.
È la ripresa che ristabilisce l'equilibrio:
La scelta della membrana dovrebbe partire dai dati del progetto, non dal codice di un modello presente nel catalogo.
Prima di scegliere le membrane per la desalinizzazione dell'acqua di mare, un appaltatore EPC dovrebbe verificare quanto segue:
La membrana diventa quindi una componente del sistema di desalinizzazione nel suo complesso.
Alcuni progetti danno priorità alla massima qualità del permeato.
Altri danno la priorità a un minor consumo energetico.
Una membrana per acqua di mare a basso consumo energetico può funzionare a pressione ridotta, ma gli ingegneri devono comunque verificare se la qualità del permeato soddisfa i requisiti del progetto.
Allo stesso modo, una membrana ad alto grado di separazione può rivelarsi utile quando sono richieste specifiche più rigorose per l'acqua prodotta.
La decisione corretta dipende dalle prestazioni complessive dell'impianto, non da un singolo valore riportato nella scheda tecnica.
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Lo stesso principio di base della desalinizzazione a membrana può essere applicato a capacità molto diverse tra loro.
I sistemi di piccole dimensioni possono essere utilizzati per:
Gli elementi a membrana compatti da 4 pollici possono rivelarsi pratici nei casi in cui la portata sia moderata e lo spazio a disposizione per l'installazione sia limitato.
DuPont, ad esempio, propone elementi SWRO da 4 pollici per impianti di desalinizzazione marini e di piccole dimensioni.
Un impianto di desalinizzazione dell'acqua di mare su larga scala può contenere centinaia o migliaia di elementi a membrana da 8 pollici installati in recipienti a pressione collegati in parallelo.
La sfida ingegneristica si estende fino a comprendere:
Per questi progetti, il prezzo delle membrane rappresenta solo una parte del costo del ciclo di vita.
Spesso sono più importanti fattori quali il consumo energetico, la pulizia, la frequenza di sostituzione, l’efficienza della pompa e i tempi di inattività.
Durante il funzionamento, le membrane subiscono lievi variazioni.
La domanda fondamentale è se il cambiamento sia dovuto a incrostazioni reversibili, formazione di calcare, danni alla membrana o normale invecchiamento.
Gli operatori devono monitorare i seguenti valori normalizzati:
Un aumento della caduta di pressione può indicare la presenza di incrostazioni.
Un aumento del passaggio di sale può indicare un danno alla membrana, l’invecchiamento, una tenuta inadeguata o altri problemi di funzionamento.
DuPont sottolinea che condizioni operative estreme possono ridurre la portata del permeato, aumentare il passaggio di sali e danneggiare i componenti dell'elemento.
La pulizia chimica può ripristinare le prestazioni quando i depositi sono reversibili.
I prodotti chimici da utilizzare per la pulizia dipendono dal tipo di contaminante.
Gli operatori non dovrebbero pulire ripetutamente le membrane senza averne individuato la causa. Una pulizia frequente potrebbe indicare un pretrattamento inadeguato o un intervallo di funzionamento non idoneo.
La sostituzione della membrana diventa necessaria quando non è possibile ripristinare in modo economicamente vantaggioso una portata e un grado di separazione accettabili.
La pianificazione delle sostituzioni dovrebbe tenere conto di:
Una membrana RO per acqua di mare dovrebbe essere sostituita in base alle prestazioni, non semplicemente perché è trascorsa una certa data.
Molte regioni costiere dispongono di abbondante acqua di mare, ma di risorse limitate di acqua dolce convenzionale.
La desalinizzazione crea un’ulteriore fonte potenziale di approvvigionamento idrico separando il sale disciolto dall’acqua di mare.
L'USGS sottolinea che la desalinizzazione viene sempre più utilizzata laddove l'acqua dolce è scarsa e può fornire acqua non solo per uso comunale, ma anche per l'agricoltura, le caldaie, l'industria farmaceutica, la produzione di semiconduttori e altre applicazioni industriali.
Ciò non significa che la desalinizzazione dell'acqua di mare non comporti sfide ambientali o economiche.
I progetti devono tenere conto di quanto segue:
Tuttavia, i continui progressi nella tecnologia delle membrane, nelle pompe, nell’automazione, nel controllo delle incrostazioni e nel recupero energetico stanno rendendo l’osmosi inversa delle acque reflue (SWRO) sempre più efficiente.
Per molti progetti costieri, può diventare una componente importante di una strategia idrica diversificata.
Per un progetto che prevede l'utilizzo di acqua di mare o di acqua ad alta salinità, la fornitura della sola membrana RO non è sufficiente.
La progettazione complessiva deve tenere conto dell’analisi dell’acqua grezza, del pretrattamento, della produzione richiesta, della configurazione delle membrane, dei serbatoi a pressione, delle pompe ad alta pressione, del dosaggio dei prodotti chimici, della pulizia CIP, della strumentazione e dei controlli automatici.
Attualmente Banott fornisce membrane RO industriali nei formati standard 4040 e 8040 e offre assistenza tecnica per la configurazione delle membrane e l’integrazione completa dei sistemi RO. Prima di definire le specifiche di un progetto di trattamento dell’acqua di mare, è necessario verificare i valori esatti delle prestazioni confrontandoli con la scheda tecnica specifica della membrana e le condizioni di prova ivi definite.
In qualità di fornitore specializzato nel settore ingegneristico di membrane UF, membrane RO e moduli EDI, impianti di trattamento dell'acqua pura, nonché i sistemi integrati di trattamento delle acque, il nostro approccio consiste nel valutare il progetto nella sua interezza.
Tra questi possono figurare:
Per gli appaltatori EPC e gli integratori di sistemi, ciò riduce il rischio legato all'interfaccia tra i singoli pacchetti di apparecchiature.
La maggior parte dei moderni impianti di trattamento dell'acqua di mare basati su membrane utilizza membrane specializzate per l'osmosi inversa dell'acqua di mare, solitamente basate sulla tecnologia dei compositi a film sottile in poliammide. Sono progettate per sopportare elevati carichi salini e funzionare ad alta pressione.
Non si dovrebbe dare per scontato che sia possibile.
L'acqua di mare presenta una salinità e una pressione osmotica molto più elevate rispetto all'acqua salmastra. La scelta della membrana deve basarsi sulla salinità dell'acqua di alimentazione, sulla pressione di progetto, sui requisiti di rigetto e sulle specifiche del produttore.
Gli elementi SWRO commerciali possono superare il 99% di rifiuto salino in condizioni di prova definite. Alcuni dati pubblicati relativi agli elementi commerciali indicano un rifiuto stabilizzato intorno al 99,4–99,7%. Le prestazioni effettive dell'impianto dipendono dalle condizioni di alimentazione, dal recupero, dalla temperatura, dalla pressione, dall'incrostazione e dall'età della membrana.
L'acqua di mare presenta un'elevata pressione osmotica a causa dell'alta concentrazione di sali disciolti. La pressione applicata deve superare questa forza osmotica e fornire una pressione motrice sufficiente a far passare l'acqua attraverso la membrana.
La salamoia in uscita dalla membrana presenta ancora un’elevata pressione idraulica. Gli impianti di recupero energetico catturano gran parte di tale pressione e la trasferiscono all’acqua di mare in entrata, riducendo così la quantità di energia necessaria per il pompaggio.
Non esiste una durata prestabilita per ogni applicazione. La durata della membrana dipende dal pretrattamento, dalla qualità dell’acqua di mare, dalla pressione di esercizio, dall’incrostazione, dalla formazione di calcare, dalle procedure di pulizia, dal recupero e dai requisiti relativi all’acqua di prodotto. Gli operatori dovrebbero avvalersi di andamenti normalizzati delle prestazioni per pianificare le operazioni di pulizia e sostituzione.
Una membrana per la desalinizzazione dell'acqua di mare costituisce la barriera di separazione principale in un impianto SWRO, ma il successo del processo di desalinizzazione dipende da ben più che dalla semplice scelta di un elemento ad alto grado di rifiuto.
Il sistema deve proteggere la membrana.
Il pretrattamento consente di controllare le particelle e il carico biologico.
La pompa ad alta pressione fornisce la forza motrice.
La membrana ad osmosi inversa separa l'acqua dal sale disciolto.
Il recupero di energia riduce lo spreco di energia idraulica.
Il post-trattamento prepara il permeato per il suo impiego finale.
Inoltre, il monitoraggio garantisce che le prestazioni rimangano stabili nel tempo.
Per gli appaltatori EPC, i progetti idrici comunali, gli utenti industriali, gli insediamenti insulari, i progetti marittimi e gli integratori di sistemi, la membrana migliore è quindi quella che si adatta alla progettazione completa del processo.
In qualità di produttore e fornitore di soluzioni per il trattamento delle acque orientate all'ingegneria, siamo in grado di fornire assistenza nella scelta delle membrane e nella progettazione di sistemi RO integrati in base alla salinità dell'acqua di alimentazione, alla capacità richiesta, alla qualità desiderata dell'acqua trattata, alle condizioni di installazione, alle esigenze di automazione e ai requisiti di consegna del progetto.
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