L’impiego di pretrattamenti efficaci ed energeticamente poco costosi diventa essenziale nel trattamento di acque reflue con elevati valori di TDS, per il controllo del fouling nelle membrane. Numerosi metodi sono disponibili per la rimozione di particelle, ma nessuno di questi è in grado di prevenire il fouling organico.
Nell’ambito delle acque reflue, la gestione e lo smaltimento dei flussi concentrati devono essere ben ponderati e valutati, dal momento che possono rappresentare un elemento difficile da smaltire ed estremamente costoso.
Figura 12 Costi energetici per la desalinizzazione a membrana
Un vantaggio dell’applicazione dell’FO (come del resto per l’RO), è che il rifiuto diventa maggiormente concentrato, consentendo un minore costo nello smaltimento. Per giunta, il concentrato ottenuto dal trattamento di acque reflue con elevato contenuto organico, consente la produzione di energia rinnovabile a seguito di processi di digestione anaerobica, teoricamente il recupero energetico è stimato in 3.58 kWh/kgCOD. Questo può ridurre l’energia richiesta dal sistema, essendo tale energia riutilizzata per alimentare il processo di recupero.
Inoltre, può esserci una produzione d’energia anche sfruttando il gradiente di salinità, come visto nel processo PRO. In questo caso però, trattandosi ancora di una tecnologia giovane, si richiedono ulteriori studi soprattutto su larga scala.
La spinta nello sviluppo dei sistemi FO è data dalla volontà di produrre acqua di elevata qualità usando potenzialmente meno energia. Per produrre acqua pulita attraverso l’FO, è richiesta la presenza dell’RO per riconcentrare la drawsolution dopo che questa è stata diluita, richiedendo almeno 30 bar di pressione operativa. Questa risulta superiore rispetto ad un sistema di trattamento acque reflue attraverso un processo UF-RO (dove UF indica un processo di ultrafiltrazione). La digestione anaerobica può quindi essere vista come l’unico modo per recuperare energia dal processo.
Anche utilizzando nano-particelle magnetiche per la drawsolution, queste devono essere separate con l’ausilio di un magnete. Un magnete permanente non costituisce una soluzione ottimale: termodinamicamente la stessa energia sarebbe richiesta per separare le particelle dal magnete. Utilizzando un campo elettrico/magnetico temporaneo la richiesta di energia rimarrebbe comunque superiore a quella relativa ad un processo UF-RO, a causa della concentrazione di polarizzazione che ridurrebbe la pressione osmotica.
L’utilizzo di soluzioni termolitiche per la drawsolution (es.(NH4)2CO3) richiede calore per decomporre
il sale di ammonio, ma una sorgente di calore più efficiente, come l’energia solare o geotermica, potrebbe ridurre il consumo energetico.
27 È stata utilizzata anche l’energia solare per la rigenerazione della drawsolution, consentendo di eliminare l’energia richiesta per il pompaggio esterno nel caso di riconcentramento attraverso l’RO.
Studi riportati in letteratura hanno dimostrato che, termodinamicamente, il minimo consumo d’energia richiesto per ottenere un recupero del 50% di acqua pulita partendo da una feed solution con concentrazione di TDS pari a 35mg/L attraverso un processo RO, è pari a 3-5 kWh/m3.
Escludendo l’energia richiesta per il pompaggio esterno, l’energia specifica richiesta per un processo FO-solar desalination raggiunge il valore di 1 kWh/m3.
Il processo FO è spesso considerato come una tecnologia sostenibile, soprattutto se applicata a sistemi a flusso continuo, tuttavia nessuna produzione di acqua “pulita” esiste se il sistema non viene accoppiato ad una tecnologia per il recupero della drawsolution che utilizza quasi la stessa energia (termodinamicamente) del processo originale (es. RO).
Lo sviluppo futuro della tecnologia FO passa per lo sviluppo dei sistemi per la produzione di energia ad essa connessi, ma ancora molti ostacoli devono essere superati prima del raggiungimento della fattibilità economica del processo.
Il confronto dei consumi energetici di un processo accoppiato FO-RO ed un processo RO per la desalinizzazione di acqua di mare è riportato in seguito.
2.8.1 Confronto dei consumi energetici tra sistemi combinati FO-RO e sistemi RO per la
desalinizzazione di acqua di mare
In letteratura sono presenti diversi studi che hanno lo scopo di mettere in luce quali sono i vantaggi e gli svantaggi derivanti dall’utilizzo di sistemi ibridi FO-RO, nei confronti dei più tradizionali e diffusi impianto RO. Elimelech (2014) analizza l’aspetto del consumo energetico, dal punto di vista termodinamico. Per comparare il consumo globale di energia tra processi FO-RO e RO, è ragionevole considerare soltanto l’energia richiesta per la separazione tramite RO. Questa approssimazione assume che l’energia richiesta dallo stadio RO per generare la pressione idraulica necessaria a superare la differenza di pressione osmotica tra la soluzione concentrata e quella diluita, domina il consumo generale di energia, rendendo l’energia necessaria per la circolazione dei flussi e per altre applicazioni (FO) relativamente trascurabili. Ne deriva che per confrontare i consumi energetici del sistema ibrido FO-RO e del solo RO, è sufficiente confrontare i consumi energetici dei soli stadi di RO nei rispettivi sistemi.
Figura 13 Confronto tra i processi RO ed FO-RO combinati
Si comparano ora i consumi energetici tra il processo di solo RO (RO1, Figura 13) ed il processo FO-
RO (RO2, Figura 13). Nel processo RO1, la feed solution viene separata nella brine (B, concentrato) e
28
membrana semipermeabile andandosi a miscelare con la drawsolution (D), restituendo una drawsolution maggiormente diluita (blocco blu e verde) ed una brine solution come nel caso RO1. La drawsolution
diluita è poi separata da processo RO2 per produrre un permeato dello stesso volume di quello prodotto
dal processo RO1, ed una drawsolution concentrata dello stesso volume e concentrazione della
drawsolution iniziale. Per ottenere lo stesso recupero nei processi RO1 e FO-RO2, la pressione osmotica
della brine solution del processo RO1, πBRO1, e la pressione osmotica della brine solution nel processo
FO, πB
FO,feed, devono essere uguali:
πB
RO1 = πBFO,feed
Nel processo RO, la minima energia specifica per raggiungere un certo tasso di recupero, è uguale alla pressione osmotica della brine solution, πB
RO. In un processo ideale FO-RO con perfetta reiezione del
sale, la drawsolution si conserva, e la brine solution del processo RO2 è semplicemente la drawsolution
iniziale del comparto FO, π0 FO,draw:
πB
RO2 = π0FO,draw
La condizione per un trasferimento netto di acqua per processi FO impone che la pressione osmotica della feed solution sia inferiore a quella della drawsolution, sia in configurazione di flusso in controcorrente o in equicorrente:
πB
FO,feed = π0FO,draw
quest’ultima equazione, accoppiata alle condizioni precedentemente elencate, restituisce che πB
RO2>πBRO1. Questa disequazione è la dimostrazione che la minima energia specifica per RO2 è
maggiore rispetto a quella richiesta per RO1; rispettivamente relative al processo FO-RO2 e RO1, per
ottenere lo stesso tasso di recupero. Ne risulta che il processo accoppiato FO-RO è energeticamente meno efficiente del solo sistema RO.
Questa analisi, sebbene molto semplificata, porta alle stesse conclusioni ottenute da altri studi di maggior dettaglio relativi alla stessa questione. Questi studi hanno anche confermato l’ipotesi di base per la quale il consumo di energia è da considerarsi quasi totalmente a carico del processo RO.
Esiste inoltre un compromesso intrinseco tra l’efficienza energetica e il trasferimento medio di massa (acqua) per processi ibridi FO-RO ed è controllato dalla pressione osmotica: maggiore è la pressione osmotica della draw solution e maggiore sarà il trasferimento di massa, per contro avremo un maggiore consumo di energia dovuto all’RO (perché lavorerà a pressioni idrauliche maggiori per vincere πdraw).
Se l’utilizzo di FO-RO per processi di separazione non riduce la minima energia richiesta comparata a processi di solo RO, il processo FO può essere accoppiato con tecnologie di recupero a bassa richiesta di energia per il trattamento post-FO. Un esempio è dato dall’accoppiamento con tecnologia MD (Membrane Distillation).
29