Osmosi diretta (FO)

npj Clean Water volume 4, Numero articolo: 51 (2021) Citare questo articolo

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Attualmente, la desalinizzazione è limitata dall’elevato consumo energetico e dagli elevati costi operativi e di manutenzione. In questo studio, viene suggerito un nuovo concetto di processo di dissalazione infinito basato sull'osmosi diretta a fibra cava (HFFO) con impatti ambientali minori (assunzione di energia libera e nessun pretrattamento o scarico della salamoia). Per valutare il concetto, è stato condotto un HFFO su scala elementare sia in modalità FO convenzionale che FO a pressione, simulando un'operazione HFFO sommersa. Nel test HFFO, sono stati studiati gli impatti di diverse condizioni operative sulle prestazioni dell'HFFO per selezionare il caso migliore. Sulla base di questi risultati, i costi energetici sono stati calcolati e confrontati con quelli di un processo ibrido FO-osmosi inversa acqua di mare (SWRO). L'HFFO ha mostrato un elevato tasso di diluizione della soluzione di aspirazione (fino a circa il 400%), consentendo al processo SWRO a valle di operare a 25 bar con la stessa produzione di volume di permeato (tasso di recupero del 60%). Di conseguenza, il processo di dissalazione infinito basato su HFFO ha un ricavo energetico annuo di 183,83 milioni di dollari, rispetto a un processo RO a due stadi autonomo basato su un impianto da 100.000 m3/giorno.

Poiché i processi di desalinizzazione a membrana non subiscono un cambiamento di fase, hanno attirato l'attenzione come tecniche economicamente vantaggiose rispetto alla desalinizzazione a base termica e richiedono un ingombro relativamente ridotto1,2. Questi metodi producono costantemente acqua di alta qualità e i tassi di produzione sono facilmente regolabili. Tuttavia, l’imbrattamento delle membrane, l’elevato utilizzo di prodotti chimici e i costi operativi rimangono problemi critici3,4. Tra i processi di desalinizzazione a membrana attualmente disponibili, il processo di osmosi inversa (RO) è un processo autonomo e la sua quota di mercato nella desalinizzazione dell’acqua di mare è in rapido aumento. Tuttavia, il consumo di energia nel processo di osmosi inversa dell’acqua di mare (SWRO) continua a rappresentare un limite2,5.

L’attuale costo energetico del processo SWRO è molto inferiore a quello dei processi di desalinizzazione basati sul calore (15,5 kWh/m3 per flash multistadio (MSF) e 7,5 kWh/m3 per distillazione multieffetto (MED)). Nonostante l’applicazione della tecnologia di progettazione delle fasi interne e lo sviluppo di un dispositivo di recupero energetico, SWRO continua ad essere un processo ad alta intensità energetica (2,2–3,5 kWh/m3)6,7 rispetto ai processi convenzionali di trattamento delle acque come il trattamento delle acque reflue a membrana (0,29–0,43 kWh/m3) e trattamento dell'acqua a base di ozono (0,041–0,073 kWh/m3)8,9. Pertanto, la desalinizzazione basata su SWRO ha raggiunto il limite teorico e pratico ed è giunto il momento di sviluppare o innestare processi per ridurre ulteriormente il consumo energetico10,11. La limitazione energetica deve essere superata attraverso soluzioni tecniche aggiuntive come la raccolta di energia, la diluizione dell’acqua di mare e la riduzione irreversibile10,12. Questo elevato utilizzo di energia durante la desalinizzazione causa preoccupazioni ambientali come l’inquinamento atmosferico e il calore associato al raffreddamento dell’acqua utilizzando la produzione di energia da combustibili fossili2,4. Sono stati condotti diversi studi per risolvere il problema energetico nel processo SWRO10,13,14. Altri processi a membrana, come l'osmosi diretta (FO)15, la distillazione a membrana (MD)16 e la nanofiltrazione (NF)6, sono stati combinati e l'acqua di mare è stata miscelata direttamente o indirettamente con altre risorse idriche disponibili per ridurre il costo energetico di il processo SWRO. Il processo SWRO è stato inoltre ibridato con processi di produzione di energia, tra cui l’osmosi ritardata dalla pressione (PRO)17, l’elettrodialisi inversa (RED)18 e la cella a combustibile microbica (MFC)19, per compensare l’elevato consumo di energia.

Un altro inconveniente della desalinizzazione basata su SWRO è la produzione di salamoia ad alta salinità, che contiene sostanze corrosive, prodotti chimici residui di pretrattamento e posttrattamento, metalli ionici e pesanti e sali dannosi per l'ambiente se scaricati direttamente in mare5,20. La salamoia può anche influenzare direttamente l'eutrofizzazione e la fluttuazione del pH in un ecosistema marino. Diversi studi hanno suggerito soluzioni per ridurre l’impatto della salamoia. Innanzitutto, per ridurre al minimo lo scarico della salamoia (scarico)21, è stata applicata la tecnologia a scarico zero di liquidi (ZLD), che recupera il 100% dell'acqua e ricicla le risorse utili nella salamoia. In questo caso, sono stati applicati alcuni processi di post-trattamento emergenti, tra cui FO, PRO, MD, MED e un evaporatore ohmico, per trattare acqua ad alta salinità, ridurre la concentrazione di salamoia e massimizzare l'efficienza della precipitazione chimica (recuperando risorse preziose) 22,23,24. Tuttavia, la tecnologia ZLD è troppo costosa per essere utilizzata in un impianto di desalinizzazione su vasta scala25.