1.1 – L’acqua come risorsa fondamentale
L’acqua è sicuramente la risorsa più importante per il genere umano. Tutti i giorni l’uomo compie azioni che, direttamente o indirettamente, coinvolgono l’utilizzo di tale risorsa che è necessaria per tutte le attività industriali, civili e agricole.
Il consumo pro capite varia considerevolmente in relazione all’area geografica: negli USA una persona consuma mediamente 400 l/giorno mentre nei territori africani, dove l’approvvigionamento di acqua è un problema, il consumo medio scende a 20 l/giorno [1].
Secondo l’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) la quantità di acqua giornaliera necessaria per attività essenziali per la vita quali bere, preparazione del cibo ed igiene personale varia in un intervallo di 15-20 l/giorno. Questo valore minimo deve essere aumentato fino a 50 l/giorno per garantire i bisogni personali connessi con l’utilizzo di acqua nelle infrastrutture come ospedali e scuole [1].
Ad avere un grande impatto sull’utilizzo dell’acqua è sicuramente l’agricoltura che ne richiede un quantitativo che è circa settanta volte superiore rispetto alla quantità necessaria per usi domestici. L’International Water Management Institute (IWMI) stima che ogni caloria consumata sottoforma di cibo necessita di circa 1 l di acqua per essere prodotta [2].
Altri fattori come la crescita demografica, l’aumento complessivo della qualità della vita, il cambiamento climatico e le problematiche legate a una cattiva gestione e all’inquinamento hanno avuto un impatto negativo sulla disponibilità e reperibilità di acqua dolce nel mondo alterandone l’ecosistema [3].
Reperire acqua dolce sta diventando un problema: si stima che, a partire dal 2040, la richiesta globale di tale bene supererà l’ammontare disponibile, dunque non è possibile sperare di fornire le risorse idriche necessarie alla popolazione solo tramite i metodi tradizionali che prevedono il ricorso ai bacini idrici naturali. Occorre dedicarsi allo studio e all’implementazione di nuovi sistemi di approvvigionamento di acqua dolce e, secondo L’International Desalination Association (IDA), “lo strumento essenziale per colmare il vuoto di acqua potabile sarà la dissalazione” [4]. La dissalazione, ad oggi, è il metodo maggiormente diffuso per la produzione di acqua dolce a partire da un’acqua di mare o salmastra.
6 Come sarà descritto nel paragrafo seguente, l’acqua di mare è presente in abbondanza sul nostro pianeta, dunque, possiede un grande potenziale per rispondere alla richiesta crescente di acqua dolce che si prospetta nel futuro.
1.2 – La classificazione e le caratteristiche dell’acqua
La terra contiene circa 1.4 ∙ 109 km3 di acqua che ricopre circa il 70% della superficie terrestre, di questa il 97.5% è costituito da acqua di mare. Il rimanente 2.5% è acqua dolce di cui l’80% si trova sottoforma di calotte polari e ghiacciai o come umidità nel suolo. Il restante 0.5% del totale è quello considerato sufficiente per sostenere tutte le forme di vita sul pianeta [5]. Tuttavia, come è possibile osservare dalla figura 1, questa risorsa non è distribuita in modo uniforme sul pianeta.
Figura 1: La distribuzione dell'acqua sulla terra
Il ciclo dell’acqua rende l’apporto totale di acqua costante: l’energia solare è assorbita dagli oceani e dalle acque superficiali dove avviene il processo dell’evaporazione. Il vapore acqueo raggiunge gli strati più alti dell’atmosfera e condensa formando le nuvole che sono costituite da piccole goccioline di acqua con un diametro medio di 10 μm. Successivamente, l’acqua raggiunge nuovamente la terra sottoforma di precipitazione metereologica. L’acqua che cade può aggiungersi alle acque superficiali (fiumi, laghi, mari) oppure può percolare nel terreno alimentando le acque del sottosuolo. Le falde acquifere costituiscono una fonte affidabile di acqua potabile: l’uso regolare e limitato di queste fonti ne assicurano il naturale rifornimento [1], [5].
7 È possibile operare una classificazione delle diverse tipologie di acqua in relazione allo scopo per cui è utilizzata e in relazione al contenuto salino come descritto in tabella 1.
Tabella 1: Classificazione delle acque in funzione della salinità
La prima categoria di acqua ha una salinità massima di 1500 ppm che la rende adatta per un uso potabile, domestico e per numerose applicazioni industriali, è possibile ricavarla tramite processo di dissalazione. Un’acqua con una salinità variabile tra 1500-10000 ppm si definisce salmastra mentre se il contenuto salino varia da 10000 fino a 50000 ppm si parlerà di acqua di mare (salata) [1]. Il contenuto dei sali disciolti in quest’ultima dipenderà dalla numerosità di affluenti, dall’abbondanza delle precipitazioni e dalla temperatura: le zone caratterizzate da temperature elevate avranno sicuramente un maggior grado di salinità, questo è il caso del Golfo Persico dove le coste di Kuwait, Arabia Saudita ed Emirati Arabi Uniti raggiungono picchi di salinità anche di 50 ppm [5].
È importante osservare che, nonostante la salinità del mare varii in relazione alla regione considerata, la sua composizione percentuale resta costante in tutto il mondo (cioè i maggiori costituenti si trovano in proporzioni costanti) [1]. Gli ioni principali che compongono l’acqua di mare sono Na+ e Cl-, che rappresentano circa l’85% del totale dei solidi disciolti (TDS), e altri ioni presenti in minore concentrazione come descritto in tabella 2. Oltre ai sali, nell’acqua di mare si trovano anche sostanza sospese come sabbia, argilla, microorganismi, virus e sostanze colloidali la cui dimensione media varia in un range da 5∙10-2 a 0.15 μm [5].
Acqua pura fino a 1500
Acqua salmastra 1500-10000
Acqua di mare 10000-50000
Acqua di mare standard 35000
Tipo Total Dissolved Solids (TDS)
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Tabella 2: Composizione tipica dell'acqua di mare con salinità pari a 35000 ppm [5]
La Tabella 3 riassume alcune proprietà termodinamiche dell’acqua di mare (con salinità di riferimento di 35000 ppm) ad una temperatura T=20°C. La pressione osmotica è una proprietà fondamentale per i processi di dissalazione poiché influenza la tendenza dell’acqua a passare attraverso una membrana semipermeabile. L’innalzamento del punto di ebollizione, invece, è direttamente connesso con la concentrazione di sale nella soluzione e assume rilievo nei processi di dissalazione di tipo evaporativo [1].
Tabella 3: Proprietà termodinamiche dell'acqua di mare, 350000 ppm, T=20°C [1]
1.3 – Background storico
Le prime testimonianze che fanno riferimento al fenomeno della dissalazione risalgono al IV secolo A.C. con Aristotele che suggerisce che “L’acqua salata quando viene fatta vaporizzare diventa dolce e la successiva condensazione non produce acqua salata” [4].
Nel corso dei secoli, vennero sperimentate molte altre tecniche per ottenere acqua dolce a partire da quella marina e si ritrovano anche testimonianze da parte di esploratori come Jane De Léry che scrisse riguardo la distillazione dell’acqua durante uno dei viaggi in Brasile nel 1965. Anche James Cook per la circumnavigazione della Terra del 1772 imbarcò un sistema per la purificazione dell’acqua dolce e la dissalazione dell’acqua di mare [4]. Fino al 1800 il processo di dissalazione continuò ad essere usato prevalentemente sulle imbarcazioni:
l’energia necessaria all’evaporazione era fornita tramite una stufa o una fornace e non veniva recuperato il calore latente di condensazione. L’inizio dell’industria della dissalazione si data
Densità [kg/m3] 1.024
Viscosità [kg/ms] 1.074 10-3 Calore specifico [kJ/kg°C] 3.998
Pressione osmotica [bar] 27 Innalzamento punto ebollizione a 20°C 0.32 Innalzamento punto ebollizione a 100°C 0.51
9 all’inizio del XX secolo: nel 1912 un impianto a sei effetti con una capacità di 75 m3/giorno venne installato in Egitto. Tra il 1929 e il 1937 la capacità totale degli impianti di dissalazione crebbe grazie allo sviluppo dell’industria petrolifera, tra il 1936 e il 1960 si registrò una crescita esponenziale del 17% annuo [5]. Lo sviluppo dei processi di dissalazione ha compiuto un passo in avanti nel 1940 durante la Seconda Guerra Mondiale a causa dell’esigenza di rifornire acqua alle truppe nelle zone aride. Dopo la guerra il potenziale di questa tecnologia venne riconosciuto tanto che vennero finanziati lavori di ricerca nel campo. La svolta ci fu quando gli Stati Uniti, agli inizi del 1950, crearono
“L’Office of Saline Water (OSW)” e il successivo “Office of Water Research and Technology (OWRT)” nel 1974 che contribuirono allo sviluppo di ricerche e tecnologie per la dissalazione [2].
1.4 – La classificazione dei processi
Ci sono diverse tecnologie di dissalazione disponibili ed applicate nel mondo e tutte implicano la separazione di un’acqua di mare o salmastra in un flusso di acqua praticamente priva di sali disciolti ed un flusso di salamoia concentrata (brine, salinità >5%). Uno schema generale sul principio di funzionamento di un impianto di dissalazione è rappresentato in figura 2: l’acqua di alimentazione è prelevata dal mare o altra sorgente, arriva all’impianto e viene trattata con una certa spesa energetica (che può essere termica, meccanica o elettrica).
I prodotti risultanti sono due: l’acqua dissalata e la salamoia (brine) che sarà rimessa in mare.
Prima di passare all’impianto di dissalazione vero e proprio, l’acqua viene in genere pretrattata con additivi chimici e a valle dell’impianto subisce una fase di post trattamento a seconda del suo utilizzo finale.
Figura 2: Schema generale di funzionamento di un impianto di dissalazione [5]
10 In generale, le tecnologie di dissalazione possono essere classificate secondo tre criteri:
- In relazione a cosa è estratto dall’acqua di mare;
- In base al metodo di separazione adottato;
- A seconda del tipo di energia utilizzata.
Per il primo criterio si distinguono essenzialmente due gruppi: (i) i processi in cui è l’acqua ad essere rimossa dalla corrente principale da cui, poi, si ricava il prodotto privo di sale, (ii) i processi in cui sono i sali ad essere rimossi dalla corrente principale lasciando così una corrente pura.
In funzione del metodo di separazione adottato si individuano due grandi gruppi: i processi termici o evaporativi, che implicano un cambiamento di fase poiché l’acqua finale si ottiene tramite l’evaporazione e la successiva condensazione del vapore acqueo e i processi a membrana che non comportano alcun cambiamento di fase infatti, il prodotto è ottenuto sfruttando una separazione di tipo fisica tramite il passaggio della corrente iniziale (acqua di mare o salmastra) attraverso una membrana semipermeabile a comportamento selettivo.
I processi evaporativi più largamente utilizzati in campo industriale sono:
- Distillazione ad effetti multipli (Multi Effect Distillation, MED);
- Distillazione flash a stadi multipli (Multi Stage Flash Distillation, MSF).
In entrambi i casi, la separazione avviene fornendo calore alla soluzione salina di partenza per permetterne l’evaporazione, il vapore prodotto poi viene condensato ed il calore di condensazione viene recuperato per il preriscaldamento dell’alimentazione (feed) o per permettere la formazione di ulteriore vapore nello stadio successivo.
Il processo a membrana più diffuso è la filtrazione attraverso membrana tramite osmosi inversa (Reverse Osmosis, RO) in cui si sfrutta il passaggio del feed attraverso una membrana semipermeabile che permette di ricavare da un lato il permeato, praticamente puro, e dall’altro una salamoia (brine) con un’elevata concentrazione di sali. Anche l’Elettrodialisi (Electrodalisis, ED) è un processo di separazione a membrana, anche se meno diffuso, in cui gli ioni salini caricati elettricamente sono separati mediante scambio ionico selettivo, lasciando da un lato della membrana un prodotto a bassa salinità e dall’altro una corrente salina concentrata [5].
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Figura 3: Classificazione delle tecnologie di separazione in funzione del metodo di separazione
Il fenomeno di separazione tra l’acqua e i sali in essa contenuti non avviene spontaneamente infatti, è necessario fornire energia dall’esterno. Quindi, è possibile differenziare i vari processi tenendo conto proprio della forma di energia primaria per il processo come riportato in figura 4.
Figura 4:Classificazione delle tecnologie di separazione in funzione del tipo di energia
È importante sottolineare che in ogni impianto si trovano ed utilizzano tutte le forme di energia (termica, meccanica, elettrica) ma lo schema di figura 4 riporta solo quelle che sono il motore principale per i vari processi. L’energia necessaria per la dissalazione varia a seconda delle diverse tecnologie, dell’efficienza dell’impianto e delle caratteristiche dell’acqua di mare, quindi costituisce uno dei parametri fondamentali per la scelta della tecnologia migliore da utilizzare che va attentamente valutato sia in termini qualitativi che quantitativi [6].
12 1.5 – I processi termici: MED, MSF
Le tecnologie basate sui processi termici sono le prime ad aver trovato impiego su scala industriale e ricoprono ancora un ruolo importante provvedendo al 27% della capacità globale installata [7]. Vengono utilizzati soprattutto per grandi produzioni di acqua dissalata (circa 100000 m3/h) e i maggior impianti sono localizzati nei paesi del Golfo come Kuwait, Oman, Qatar, Arabia Saudita ed Emirati Arabi Uniti, dove la dissalazione rappresenta l’unica opzione per il rifornimento di acqua potabile. Sono indicati anche con il nome di processi evaporativi e i metodi principali sono la distillazione ad effetti multipli (MED) e la distillazione flash a stadi multipli (MSF). I due procedimenti sono sostanzialmente basati sugli stessi principi di fisica e termodinamica ma differiscono tra loro in alcuni aspetti e caratteristiche fondamentali [8].
La distillazione a multipli effetti, nota anche come evaporazione a multipli effetti (Multiple Effect Evaporation, MEE), ha avuto origine sui ponti delle navi nel XVI sec. Dove venivano utilizzate stufe a legna o a carbone per far evaporare l’acqua marina e generare quella dolce.
La capacità produttiva del processo negli anni ’50 era inferiore a 500 m3/giorno, ulteriori sviluppi hanno avuto luogo durante gli anni ’60 e ’70 quando la capacità raggiunse i 5000 m3/giorno e nel 2006 con l’aumento a 36000 m3/giorno [7]. L’unità di misura adottata a livello globale per misurare la capacità degli impianti di dissalazione è il MIGD, milioni di galloni imperiali al giorno, equivalente a 4546 m3/giorno. Un impianto con una capacità pari a 1 MIGD è sufficiente per soddisfare la necessità di acqua di base di circa 200000 persone e la capacità di un’unità MED può raggiungere 8 MIGD [7]. Per gli impianti termici, l’efficienza si misura mediante il rendimento (PR, Performance Ratio) che esprime la quantità di acqua prodotta utilizzando un dato quantitativo di energia termica [8]. Nel caso della dissalazione ad effetti multipli, il PR dipende principalmente dall’intervallo di temperatura a cui opera il processo: da 8 a 12 per impianti a basse temperature e da 8 a 15 per alte temperature ed è in grado di fornire un distillato (il prodotto finale) altamente puro [7].
Gli impianti dissalativi di tipo MED sono composti da una sequenza di effetti che solitamente variano in numero da 5 a 10 [7]. L’utilizzo di un singolo effetto non sarebbe conveniente poiché la quantità di acqua prodotta è inferiore a quella di vapore di riscaldamento necessario per il funzionamento del sistema. Tuttavia, lo studio del meccanismo di un singolo effetto rappresentato in figura 5 è essenziale per la comprensione del processo intero [5].
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Figura 5: Schema di un singolo effetto MED [7]
L’evaporatore è costituito da uno scambiatore di calore, una vasca di raccolta della brine non evaporata, una linea per la rimozione dei gas incondensabili e un denebulizzatore (demister).
All’interno dell’evaporatore, la salamoia di alimentazione viene spruzzata tramite ugelli dall’alto dell’effetto, sopra il fascio, e cade sulla superficie dei tubi. Qui, il film di salamoia assorbe l’entalpia di condensazione del vapore che scorre all’interno e, parte di essa, evapora secondo l’evaporazione a film sottile. Il vapore prodotto attraverso l’evaporazione del film è filtrato per mezzo di un denebulizzatore, il cui compito fondamentale è di separare e rimuovere eventuali droplets di salamoia che andrebbero a compromettere la qualità del prodotto finale ed esce dall’effetto. La salamoia rimanente insieme alle goccioline separate nel denebulizzatore cade continuamente fino alla vasca di raccolta ed esce dall’effetto [5], [7]. Se la pressione nell’effetto è inferiore alla pressione della salamoia allora nella vasca di raccolta della salamoia avrà luogo un’evaporazione flash e si avrà una quantità supplementare di vapore prodotto. Per effetti diversi dal primo può essere installata una scatola di raccolta del condensato flash dove la pressione viene fissata uguale a quella dell’effetto. Qui, parte del condensato si trasforma in vapore che si mescola con quello prodotto nell’effetto permettendo un migliore utilizzo del calore del vapore di alimentazione con conseguente miglioramento dell’efficienza termica [7].
Le configurazioni di impianto utilizzate nelle installazioni MED sono la Forward Feed e la Parallel Feed riportate rispettivamente nelle figure 6,7.
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Figura 6: Impianto MED configurazione Forward Feed [7]
Figura 7: Impianto MED configurazione Parallel Feed [7]
La scelta dello schema migliore dipende dalla variazione della solubilità del sale in funzione della temperatura massima della salamoia (Top Brine Temperature, TBT) e della massima concentrazione della salamoia [5]. La configurazione Forward Feed implica la presenza di (n-1) preriscaldatori (con n si è indicato il numero degli effetti totali). La direzione del flusso della salamoia e del vapore va da sinistra verso destra cioè dall’effetto 1 all’effetto n. La pressione negli effetti diminuisce nella direzione del flusso. La salamoia che esce da ogni effetto entra dall’alto nel successivo, in ogni effetto il vapore condensante all’interno del fascio di tubi proviene dall’effetto precedente ed è prodotto tramite l’evaporazione della salamoia. Il distillato viene raccolto come prodotto nell’ultimo effetto [5], [7]. Nella configurazione Parallel Feed la salamoia di alimentazione è suddivisa in n-flussi uguali e la salamoia di drenaggio scorre attraverso le vasche di raccolta degli effetti. In questo schema ciascun effetto ha un valore di pressione più basso del precedente e non si rende necessario l’uso dei preriscaldatori per la salamoia. Il vantaggio principale della configurazione in parallelo risiede nella semplicità di layout rispetto al Feed Forward [5], [7]. Il vapore di alimentazione che entra nel primo effetto degli impianti MED può essere prodotto con diversi metodi, normalmente è preriscaldato e la sua temperatura e pressione influiscono fortemente sulla prestazione e sul tasso di produzione dell’impianto [7]. Al fine di migliorare ulteriormente l’efficienza energetica del processo, le unità MED possono essere accoppiate anche ai dispositivi di recupero del vapore. I sistemi più comuni sono la compressione termica del vapore (Thermal Vapour Compression, TVC) e la compressione meccanica del
15 vapore (Mechanical Vapour Compression; MVC) che recuperano il vapore dall’ultimo effetto, lo comprimono tramite un eiettore di vapore o un compressore meccanico e lo mandano al primo effetto dove verrà utilizzato come vapore motore [1]. La maggior parte dei processi MED operano a basse temperature inferiori a 70°C. Questo perché gli evaporatori adottano una configurazione a film orizzontale in cui l’acqua di mare di alimentazione viene spruzzata sulla superficie esterna dei tubi e il funzionamento a temperature non molto elevate limita la formazione di incrostazioni sulla superficie esterna dell’evaporatore; inoltre, l’utilizzo di basse temperature consente anche una combinazione efficiente con la compressione termica o meccanica del vapore [1].
La distillazione flash a stadi multipli (MSF) è stata più o meno simultaneamente inventata tra Regno Unito e Stati Uniti attorno al 1960 [4]. Questa può essere confrontata con le altre tecnologie solo se ha come alimentazione l’acqua di mare, infatti, per il trattamento di acqua salmastra i processi come l’osmosi inversa hanno prestazioni migliori con costi di installazioni inferiori [9]. La maggior parte degli impianti è localizzata nella regione del Medio Oriente dove sono accoppiati con le centrali elettriche alimentate a petrolio (risorsa presente in abbondanza sul territorio) [4]. La distillazione flash multistadi è stata per anni la tecnologia di riferimento per la dissalazione per impianti di grande dimensione (la figura 8 rappresenta l’andamento della capacità installata per le differenti tecnologie negli anni).
Figura 8: Capacità installata per le diverse tecnologie vs anni [9]
16 Nonostante attualmente la tecnologia più affermata in questo campo sia l’osmosi inversa, la distillazione flash a stadi multipli riesce a sopravvivere egregiamente grazie ad alcuni punti di forza tra cui:
- Altissima affidabilità dell’impianto installato: nei loro anni di funzionamento gli impianti MSF hanno dimostrato un’affidabilità molto elevata che ha superato quella stabilita al momento della costruzione (15 anni); inoltre la maggior parte delle installazioni avvenute trenta anni fa sono ancora in esecuzione e quelle che hanno subito adeguamenti successivi hanno una vita stimata di altri dieci anni;
- Facilità di funzionamento: gli impianti MSF hanno un funzionamento molto facile con caratteristiche simili a quelle di una centrale elettrica con cui sono frequentemente accoppiati (figura 9) soprattutto nei paesi in cui vi è una forte domanda sia di energia elettrica che di acqua potabile;
- Bassa degradazione delle prestazioni [9].
Figura 9: Possibile accoppiamento di impianto MSF e termoelettrico
Nella distillazione flash multistadi (la figura 10 rappresenta un possibile schema di funzionamento) l’acqua di mare in ingresso viene fatta evaporare in camere successive mantenute a pressioni al di sotto di quella di alimentazione. Questo porta ad un’improvvisa evaporazione dell’acqua di mare (flash) con conseguente produzione di vapore. Il fenomeno di flash raffredda la salamoia rimanente permettendole di raggiungere l’equilibrio termodinamico con il suo nuovo ambiente. I diversi stadi sono collegati in serie con pressione decrescente per massimizzare la conversione di acqua ed energia. Una tale configurazione permette la produzione di grandi quantità di vapore che passa attraverso un denebulizzatore, il quale elimina ogni goccia di liquido, e viene condensato sulla superficie esterna dei tubi di uno scambiatore. Il calore di