L’osmosi inversa, comunemente abbreviata con RO (da Reverse Osmosis) è il processo mediante il quale vengono rimossi gli ioni e le molecole disciolti nell’acqua, sottoponendo la soluzione ad una pressione che le permette di attraversare una membrana semipermeabile. Il naturale processo di osmosi non richiede energia e consiste nel passaggio delle molecole di acqua attraverso una membrana semipermeabile da una soluzione con minor concentrazione di soluti ad una con concentrazione maggiore, seguendo quindi il cosiddetto gradiente di concentrazione. La membrana semipermeabile permette il passaggio delle molecole di acqua, ma non degli ioni (es. Na+, Ca2+, Cl-) o di molecole di dimensioni maggiori (es. glucosio, urea e batteri). L’osmosi tende a proseguire fino a che le due soluzioni non hanno la stessa concentrazione di soluti (isotoniche).

Nel processo di osmosi inversa la soluzione più concentrata viene sottoposta a pressione affinché l’acqua in essa contenuta passi nella soluzione con minore concentrazione attraverso la membrana, il movimento avviene quindi contro il gradiente di concentrazione. La pressione che deve essere esercitata affinché avvenga l’osmosi inversa deve essere maggiore della pressione osmotica naturale e dipende dalla concentrazione della soluzione.

L’osmosi inversa è in grado di rimuovere dalla soluzione in entrata fino al 99% dei sali disciolti (ioni), particelle, colloidi, materia organica, batteri e pirogeni, anche se il solo sistema ad osmosi inversa non può essere ritenuto affidabile nella rimozione della totalità di virus e batteri. Le membrane ad osmosi inversa trattengono i soluti in base alla loro massa molecolare ed alla loro carica ionica. Vengono normalmente trattenuti tutti i soluti con peso molecolare maggiore di 200 e quelli con carica ionica maggiore. I materiali maggiormente utilizzati per le membrane ad osmosi inversa sono fini pellicole di poliamide (TFC), acetato di cellulosa (CA) e triacetato di cellulosa (CTA). Le membrane possono essere costituite da spirali avvolte attorno ad un tubo o da fibre cave impacchettate insieme.

Applicazioni dell'osmosi inversa:

• Trattamento acque di pozzo per uso civile e industriale;
• Trattamento acque di mare;
• Trattamento acque reflue e civili.

Architetture degli impianti ad osmosi inversa

Gli impianti ad osmosi inversa possono essere progettati ad uno o più stadi ed a uno o più passaggi (in serie).
In un impianto ad uno stadio entra una soluzione e ne esce un flusso di permeato ed uno di concentrato. In un impianto a due stadi il concentrato derivante dal primo stadio viene utilizzato come soluzione in ingresso per l’altro impianto RO che costituisce il secondo stadio. I permeati derivanti da ciascun stadio convogliano in uscita. Maggiore sarà il numero degli stadi, maggiore sarà il recupero di acqua da parte dell’impianto.

Negli impianti RO ogni singolo passaggio è in realtà un impianto RO a sé stante, quindi in un impianto con due passaggi il permeato derivante dal primo impianto costituisce la soluzione in entrata per il secondo. In questo modo si otterrà un permeato finale di un qualità molto alta.

Possibili problematiche degli impianti ad osmosi inversa

Le problematiche che possono presentarsi in un impianto RO sono principalmente il fouling, lo scaling ed i danni di natura chimica. Il fouling si verifica quando i soluti si accumulano sulla superficie della membrana e la ostruiscono. Questo fenomeno causa un’alta pressione all’interno dell’impianto ed un abbassamento del flusso del permeato. Il fouling può essere causato dalla presenza di particolato, materia colloidale o organica o microrganismi (batteri, ecc…) che possono creare un biofilm sopra la superficie. Lo scaling si verifica quando la concentrazione di alcuni composti inorganici dissolti supera il proprio punto di solubilità ed essi precipitano come cristalli o depositi sulla superficie della membrana. Lo scaling causa l’innalzamento della pressione all’interno dell’impianto, una diminuzione della capacità della membrana di trattenere i sali, un minor flusso del permeato ed un peggioramento della sua qualità. Uno dei più comuni precipitati che si formano sulle membrane RO è il carbonato di calcio (CaCO3).

I danni di tipo chimico sono causati dalla presenza di ossidanti, come il cloro o le cloroammine, che possono creare dei buchi nei pori delle membrane generando dei danni irreparabili. Questi danni determinano un aumento del flusso del permeato ed una diminuzione della qualità dello stesso. Tutte queste problematiche possono essere risolte con degli adeguati sistemi di pretrattamento.

Le membrane utilizzate per la nanofiltrazione hanno pori con dimensione tra 1 e 5 nm ed oltre ai solidi sospesi con dimensioni maggiori possono trattenere gli ioni multivalenti ed i residui organici disciolti con basso peso molecolare, esse hanno una permeabilità significativamente più alta delle membrane ad osmosi inversa e quindi lavorano con una pressione minore. Le membrane a nanofiltrazione sono in genere membrane a film sottile (TFC), predisposte come moduli a spirale, tubolari o cavi (capillari) a base di poliammide o acetato di cellulosa.

Le proprietà delle membrane a nanofiltrazione ricadono tra quelle delle membrane non porose ad osmosi inversa in cui il trasporto è determinato da un meccanismo a diffusione e le membrane porose ad ultrafiltrazione, dove la separazione è determinata dalle dimensioni delle particelle ed in alcuni casi dalla loro carica. Le membrane a nanofiltrazione che si trovano in commercio hanno una carica propria fissa dovuta alla dissociazione di alcuni gruppi chimici sulla superficie, come ad esempio gli acidi carbossilici. Attraverso la nanofiltrazione possono essere rimossi gli ioni bivalenti, che sono i responsabili della durezza dell'acqua, per tale motivo questo tipo di filtrazione viene utilizzata per l'addolcimento delle acque.

Problematiche delle membrane a nanofiltrazione

Le membrane a nanofiltrazione sono meno soggette a problemi di fouling o scaling e quindi non richiedono pretrattamento, ma sono spesso utilizzate esse stesse come sistema di pretrattamento negli impianti ad osmosi inversa. Le membrane a nanofiltrazione hanno la capacità di abbassare il pH e quindi per evitare che l'acqua prodotta possa diventare corrosiva devono essere messe in atto delle misure preventive, quali la miscelazione dell'acqua prodotta con quella da filtrare o l'aggiunta di componenti che aumentano il pH.

Applicazioni della nanofiltrazione

Le applicazioni più comuni della nanofiltrazione sono:

• addolcimento dell'acqua;
• rimozione di sostanze organiche quali i pesticidi, i colori industriali;
• riduzione complessiva dei solidi totali disciolti e del carbonio organico totale;
• rimozione dei nitrati;
• rimozione dei metalli pesanti;
• pretrattamento.

Nel meccanismo di separazione dell'ultrafiltrazione vengono utilizzate membrane con pori di dimensioni comprese tra 0.1 e 0.001 micron. L' ultrafiltrazione non è quindi in grado di rimuovere molecole organiche con basso peso molecolare e ioni quali calcio, sodio, magnesio, solfato e cloruro, e per questo motivo la pressione osmotica differenziale attraverso la superficie della membrana risulta trascurabile. Sono sufficienti quindi piccole pressioni per garantire alti flussi attraverso le membrane. I moduli delle membrane a ultrafiltrazione possono essere plate-and-frame, avvolti in spirali o in configurazioni tubulari. Ciascuna di queste configurazioni viene utilizzata per specifiche applicazioni.

Applicazioni dell'ultrafiltrazione

Le principali applicazioni dell'ultrafiltrazione sono:

• rimozione delle sostanze che hanno un alto peso molecolare, sostanze colloidali, polimeri organici ed inorganici, argilla fine, batteri e virus, compresi gli organismi cloro resistenti come Cryptosporidium e Giardia;
• in sostituzione dei classici sistemi secondari (coagulazione, flocculazione e sedimentazioni) e terziari (filtrazione della sabbia e clorazione);
• pretrattamento negli impianti di osmosi inversa;
• filtrazione finale negli impianti di deionizzazione.

Le membrane a microfiltrazione hanno i pori più grandi fra tutte le membrane polimeriche, essi hanno una grandezza tra 0.1 e 10 micron. La MF viene utilizzata per separare i solidi sospesi più grandi, come i colloidi, il particolato, il grasso ed i batteri, mentre attraverso la membrana passano zuccheri, proteine, sali e tutte le molecole con basso peso molecolare. Le membrane a microfiltrazione hanno una struttura asimmetrica dei pori, con una dimensione più stretta in prossimità della superficie per ottimizzare la reiezione e più ampia nella sezione della membrana per ottimizzare il flusso.
La microfiltrazione viene utilizzata principalmente come pretrattamento in impianti RO o NF per la rimozione della materia organica sintetica o naturale utile a ridurre il potenziale incrostante.