Il fouling (sporcamento) della membrana FO o RO è un fenomeno inevitabile che risulta dalla deposizione e dall’adsorbimento dei costituenti dell’acqua sulla membrana, quali sostanze organiche e inorganiche, sali, sostanze colloidali e microrganismi. Gli agenti sporcanti della feed solution, spinti dall’azione del flusso di permeato, tendono ad accumularsi sulla membrana, con la conseguente formazione di un cosiddetto cake layer. La formazione di questo gel porta non solo all’incremento della resistenza idraulica che si oppone al trasporto di acqua ma aumenta anche gli effetti della polarizzazione di concentrazione.
Il fenomeno del fouling inoltre, incide sulla durata di vita della membrana, con conseguente ricaduta sull’incidenza dei costi di gestione e di manutenzione dell’impianto di trattamento. Per prolungare la vita della membrana, l’influente deve subire necessariamente dei pretrattamenti. Generalmente essi comprendono una grigliatura fine, la coagulazione, l’ultrafiltrazione o microfiltrazione ed azioni di prevenzione per lo scaling come l’addolcimento o l’acidificazione, mediante condizionamento del pH e dosaggio di reagenti.
Il fouling è causato principalmente da quattro categorie di agenti: 1. Crescita microbica
2. Scaling
3. Sostanza organica disciolta 4. Sostanze particolate colloidali
L’azione batterica sulla superficie della membrana consente la formazione di un biofilm. i microrganismi sono in grado di formare complesse aggregazioni e grazie alla loro capacità di sintesi si alimentano dei nutrienti presenti nell’acqua, formando un sottile strato (biofilm), che li protegge dall’esterno. Il biofilm è composto principalmente da materiale extracellulare (EPS), cioè un gruppo di sostanze polimeriche che, in alcuni casi possono assorbire importanti quantità d’acqua, o, contrariamente, presentare comportamenti idrofobici. Questo fenomeno prende il nome di biofouling. È influenzato sia dalla qualità della feed solution, ma anche dalle proprietà chimico-fisiche della membrana interessata. La crescita microbica può essere inibita dal dosaggio di cloro libero, ma le membrane sintetiche sono estremamente vulnerabili alla sua azione. Le membrane sono tolleranti alle cloroammine e questi agenti vengono utilizzati comunemente per prevenire la crescita microbica. Lo scaling è causato invece dalla elevata concentrazione di ioni calcio, silice, fosfati, carbonati e altri. Al raggiungimento della condizione di sovrasaturazione si verifica la precipitazione di sali poco solubili con conseguente incrostazione della membrana. Lo scaling riduce la permeabilità della membrana e la qualità del permeato. Il potere incrostante o corrosivo di un’acqua può essere predetto dall’Indice di Langelier o Indice di Saturazione (LSI). La formazione dello scale-layer diventa critica se l’indice LSI risulta maggiore di 1.
Lo scaling è controllato dosando reagenti antiscalant, abbassando il pH e riducendo la percentuale di recupero. Gli svantaggi dell’antiscalant includono il loro costo, l’aumento del volume del concentrato e il fatto che un eccesso di dosaggio può aggravare il fenomeno stesso. L’inversione del flusso dell’influente tramite apposite valvole può limitare la formazione dello scaling. Invertendo la direzione di flusso si può ritardare o impedire la formazione dei primi cristalli, favorendo la dissoluzione del precipitato sulla membrana.
Il fouling organico è uno dei maggiori problemi nelle applicazioni RO per acque reflue, a causa dell’elevato contenuto organico rispetto alle applicazioni di desalinizzazione. Il fouling organico porta alla formazione di un gel layer comprimibile quando sono coinvolte sostanze con un coefficiente di diffusione molto basso. Le specie più comuni includono: sostanze umiche, fenoli, pesticidi e macromolecole (es. proteine, carboidrati, grassi). Queste sostanze bloccano i pori della membrana. Per quanto riguarda il fouling da sostanze colloidali, esso può essere evitato adottando pretrattamenti di UF o MF.
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2.6.1 Confronto del fouling nelle membrane FO e RO
Numerosi studi sono stati condotti al fine di valutare l’intensità e l’importanza della formazione di fouling sulle membrane, confrontando i risultati ottenuti in processi di osmosi diretta ed inversa. Alcuni di essi hanno restituito una serie di risultati sperimentali, in assenza ed in presenza di pressione idraulica, allo scopo di capire la differenza tra la struttura dello strato di fouling organico-colloidale formato in FO e quello formato in RO.
In FO, la forza motrice per il flusso di permeazione è la differenza di pressione osmotica tra drawsolution e feed solution. Nel caso di RO si opera ad elevate pressioni idrauliche che dipendono dalla pressione osmotica della feed solution. I risultati di tali test suggeriscono che in un processo non pressurizzato, tipico dell’FO, lo strato che si accumula sulla superficie della membrana è relativamente sciolto e può essere rimosso con un semplice controlavaggio, ad eccezione che non vi sia una elevata concentrazione di ioni di calcio in soluzione.
Tuttavia, lo strato di fouling formato in processi ad alta pressione, caso dell’RO, risulta essere prevalentemente di tipo irreversibile, suggerendo una struttura più compatta e coesa nei confronti del fouling tipico dell’FO.
La differenza dello strato di fouling formato nei due casi in esame è rappresentato schematicamente in Figura 10.
Figura 10 Struttura dello strato di fouling con e in assenza di pressione idraulica
La struttura dello strato di fouling nell’FO è influenzata principalmente dalla forza di trascinamento dovuta alla permeazione del flusso di permeato indotto dalla pressione osmotica; mentre nel caso dell’RO, oltre all’effetto di trascinamento, si ha lo schiacciamento dovuto all’applicazione della pressione idraulica che tende ad accumulare la sostanza organica e colloidale sulla superficie della membrana.
La struttura dello strato di fouling nel caso FO risulta essere più sciolta, sparsa e spessa rispetto alla struttura dello stesso strati nel caso di RO. Ne deriva che nel caso di FO il fouling risulta essere per la maggior parte reversibile, mentre, nel caso di RO, essendo più compatto e coeso, risulta essere per la maggior parte irreversibile.
È stato più volte dimostrato che la bassa propensità al fouling delle membrane per osmosi diretta è attribuibile alle basse pressioni in esercizio. La situazione però è aggravata dalla presenza dei fenomeni di ICP. Fouling e ICP sono interconnessi: l’accumulo di soluti sullo strato poroso della membrana, causato da una porosità ridotta e da un aumento della resistenza alla diffusione del soluto, porta ad un aumento della ICP. La polarizzazione di concentrazione interna influisce negativamente sia sul flusso di permeato, sia sul fouling. Anche l’orientamento della membrana contribuisce allo sporcamento: quello AL-FS (active layer-feed solution) permette di ottenere un flusso più costante, nonostante i fenomeni di diluizione della drawsolution e di fouling, mentre l’orientamento AL-DS (active layer-draw solution) mostra notevoli riduzioni di flusso di permeato in seguito al fouling, a causa della differenza microstrutturale dello strato poroso, che permette intasamenti interni ed elevati fenomeni di ICP. Oltre a questi fattori, anche le caratteristiche chimico fisiche della superficie della membrana possono influire
23 sul fouling. Alcuni esempi sono: carica superficiale, ruvidità, idrofobicità, interazioni elettrostatiche con gli agenti sporcanti.