Sommario
Nel corso degli ultimi anni i processi di filtrazione su membrana hanno subito una notevole crescita rispetto al passato, dimostrandosi sempre più competitivi nei confronti delle tecniche convenzionali.
Una membrana può essere definita come una barriera fisica che consente il passaggio di una o più specie e impedisce o rallenta quello di altre.
I sistemi di filtrazione su membrana utilizzano la pressione idraulica come forza motrice. Le varie tecnologie si differenziano tra loro per le specifiche della membrana impiegata e per le condizioni di processo, come la pressione idraulica.
Proprio riferendosi a quest’ultimo parametro, i processi di filtrazione si possono suddividere tra quelli che necessitano di alte pressioni come l’osmosi inversa (OI) e la nanofiltrazione (NF) e quelli che invece hanno bisogno di basse pressioni come la microfiltrazione (MF) e l’ultrafiltrazione (UF). In particolare le membrane a bassa densità (MF, UF), dette porose, agiscono come un setaccio consentendo il passaggio solo a particelle con dimensione inferiori a quella dei pori.
La loro introduzione a livello industriale su larga scala in Italia, potrebbe contribuire ad un significativo passo in avanti verso un miglior utilizzo dell’energia.
Le tecnologie di filtrazione su membrana rientrano tra quelle tecnologie BAT (Best Available Technologies) citate nella direttiva IPPC (Integrated Pollution Prevention and Control), direttiva 96/61/CE emanata dalla Comunità Europea, attraverso il lavoro dell’ European IPPC Bureau, nel 1996.
Il recepimento in Italia della direttiva IPPC è avvenuto con l'emanazione del D.Lgs.
n. 372 del 4 Agosto 1999 e del D.Lgs. n. 59 del 18 Febbraio 2005 che lo abroga.
In particolar modo sui BRefs (BAT Reference Documents), rapporti che rappresentano un quadro dettagliato dei processi industriali impiegati nei settori indicati dalla direttiva, le tecnologie a membrana vengono non solo trattate, ma anche descritte in alcune loro specifiche applicazioni e pertanto considerate come BAT o potenziali BAT per quegli impieghi inerenti ai settori a cui i BRef si riferiscono.
Questo notevole sviluppo applicativo a livello mondiale, Italia esclusa, è testimoniato dalla deposizione di migliaia di brevetti internazionali e da milioni di installazioni industriali in tutto il mondo.
La principale criticità dei processi di filtrazione a membrana è costituita dal fouling.
Per fouling s’intende lo “sporcamento” e conseguentemente l’intasamento della membrana che perde così la sua produttività.
L’intasamento dei pori ha ricadute immediate e pesanti sui costi di trattamento e quindi sulla competitività della tecnica rispetto ad altri processi separativi (centrifugazione, evaporazione, sedimentazione, scambio ionico, etc.).
L'intasamento fisico della membrana è dovuto generalmente a deposito e accumulo di piccole particelle sulla superficie della membrana e/o alla cristallizzazione e precipitazione di parti di soluto sulla superficie della membrana e dentro i pori della membrana stessa.
Il fenomeno del fouling nelle membrane, principale ostacolo ad un più ampio sviluppo di processi di filtrazione, causa un declino del flusso del permeato ed al tempo stesso un aumento della pressione necessaria a mantenere il flusso ad un certo livello, provocando così notevoli aumenti dei costi di energia.
Negli ultimi decenni, si è sentita l’esigenza di introdurre degli indici o dei metodi di misurazione capaci di valutare la propensione al fouling di una data acqua di alimentazione.
La letteratura tecnico-scientifica presenta una grande confusione sugli indici, essi risultano molto eterogenei e poco confrontabili tra loro, alcuni si basano su modelli matematici altri no, alcuni necessitano di una semplice strumentazione da campo mentre altri devono essere eseguiti in laboratorio per mezzo di speciali strumentazioni.
Obiettivo di questa tesi è stato quello di cercare di omogeneizzare e quindi poter confrontare gli indici di valutazione del fouling ed i vari metodi di misurazione presenti in letteratura, indicandone vantaggi e svantaggi.
Visto il crescente utilizzo della micro- ed ultra-filtrazione, ultimamente molti degli indici sviluppati per processi di filtrazione ad alta pressione come osmosi inversa o nanofiltrazione sono stati indistintamente utilizzati anche per i processi che utilizzano membrane a bassa densità.
Questo indistinto ricorso agli indici non risulta propriamente attendibile, in quanto sia il meccanismo di formazione del fouling che il tipo stesso di “sporcamento” è molto differente nei due casi. Quindi sarebbe utile, nel caso di pianificazione di impianti a filtrazione su membrane a bassa densità, il ricorso a metodi di misurazione real-time da laboratorio che forniscano dati più attendibili e precisi;
risultando così l’ago della bilancia nella decisione di eseguire o meno un impianto a filtrazione in un dato luogo, riuscendo a definire se quella che dovrebbe essere l’acqua di alimentazione dell’eventuale impianto in progetto abbia un elevata o ridotta propensione al fouling.
Abstract
Over the last few years the membrane filtration systems have undergone a very fast growth and are now more competitive with respect to conventional techniques.
The term membrane most commonly refers to a thin, film-like structure that separates two fluids. It acts as a selective barrier, allowing some particles to pass through, but not others. The movement of material across a membrane requires a driving force. Therefore, membrane processes can normally be classified based on the type of driving force that causes components in the water to separate.
The different type of driving force that initiates solute separation includes: a pressure differential (microfiltration (MF), ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF) and reverse osmosis (RO)), a concentration difference across the membrane which initiates the diffusion of a species between two solutions (dialysis), and a potential field applied to an ion exchange membrane that initiates migration of ions through the membrane (electrodialysis, electroelectrodialysis and electrochemical devices).
RO and NF typically operate at significantly higher pressures than MF and UF processes. Low-pressure membrane processes (i.e. MF and UF) are typically applied for the removal of particulate and microbial contaminants and can be operated under positive or negative pressure (i.e., vacuum pressure).
Membrane filtration systems are introduced as Best Available Techniques (BAT) in the industrial areas addressed by the IPPC Directive (Integrated Pollution Prevention and Control) documents. This could lead to a significant step forward towards a better use of energy.
The main operating problem of the membrane filtration is fouling. Fouling is caused by the deposit of solids, present in the feed, on the upstream membrane surface, which eventually blocks it. The plugging process is accentuated by the concentration polarisation that occurs in the relatively quiescent fluid zone close to the membrane surface. The fouling phenomenon causes a reduction in permeate flux with time, an increase in operating pressures to maintain flux with an ensuing rise in energy costs.
Over the years it has felt the need to introduce some evaluation indices or measuring methods able to determine the fouling potential of feed waters. Little by little the number and type of indices and methods have quickly grown.
The studied indices show sensitivity to various parameters which are also extensively analysed in this thesis, in relation to the fouling phenomenon.
Scientific literature presents a great confusion about indices, they result very heterogeneous and not really comparable to each other. Some of them are based on mathematical models, while others are not, some of them need very simple field tools others, instead, need to be made in a laboratory with special equipment.
The goal of this thesis was to try to homogenize the indices in order to be able to make a comparison between the evaluation fouling indices and the measuring methods present in literature.
There has been an increase in the use of ultra- and microfiltration processes. For this reason, in latter years many indices specifically developed for high pressure filtration processes have been used without distinction also for low pressure filtration systems.
The thesis discusses this indistinct and unclear use of indices. It does not result reliable, since both the fouling formation mechanisms and the type of fouling are very different in the two kinds of membranes.
During a low-pressure membrane filtration system planning it would be useful to use real-time methods which provide more accurate and reliable data.
Real-time methods described in this research (e.g. the thermogravimetric method, fluorescence excitation-emission matrices, the ultrasonic time-domain reflectometry method, etc.) have a great potential, allowing the modification in real time of operating conditions in order to minimize the growth of fouling which remains a nearly always present phenomenon in membrane filtration systems. The correct role of these methods of measuring the fouling potential of feed waters should be that of allowing a designer to decide whether to make a plant which makes use of a membrane filtration systems, in a given place, or not.
In this way, it is able to define if the possible feed water of the plant in planning has a high or low propensity to foul the membranes.
Because of the fouling phenomenon, the membranes may even have to be substituted to preserve production capacity. The membrane replacement and the energy cost involved in the production of water are estimated to be the most expensive aspects after the initial investment cost.
