dissalazione
Rimozione, parziale o totale, dei sali disciolti in un liquido. Hanno importanza soprattutto la d. di acque salmastre e marine e quella del petrolio.
D. delle acque salmastre e marine
Le acque salmastre e di mare sono sottoposte a d. per renderle adatte a usi potabili o industriali, operazione di particolare utilità per le zone aride e semiaride, e per alcune isole prive di adeguato rifornimento idrico. Anche per le regioni dove l’approvvigionamento idrico è sufficiente, la d., se realizzata in condizioni economicamente competitive con altri tipi di rifornimento, può rappresentare sia una rassicurante copertura in vista di future espansioni, sia un mezzo idoneo a fronteggiare punte di richiesta idrica concentrate nel tempo, per es. in località d’interesse turistico nel periodo estivo. Solo nel settore agricolo l’irrigazione con acqua dissalata non rappresenta, almeno per il momento, una soluzione economicamente accettabile. I maggiori impianti di d. sono situati in Arabia Saudita e nei paesi del Golfo (Bahrein, Dubai, Qatar, Emirati Arabi Uniti, Kuwait e Omān).
Processi di dissalazione. I processi che realizzano la d. delle acque salmastre e di mare possono sostanzialmente dividersi in due gruppi: quelli basati sulla separazione dell’acqua dai sali (evaporazione, talvolta detta impropriamente distillazione, osmosi inversa, congelamento) e quelli basati sulla separazione dei sali dall’acqua, cioè su una più o meno spinta riduzione del tenore dei sali presenti (elettrodialisi, scambio ionico). Nei processi del primo gruppo il costo è sostanzialmente legato più alla quantità di acqua trattata che alla salinità dell’acqua medesima; nei processi a scambio ionico e a elettrodialisi, invece, il costo dipende essenzialmente dalla salinità dell’acqua e, pertanto, i processi del secondo gruppo appaiono più adatti per la d. di acque salmastre che non per quella delle acque marine. Per la scelta del tipo di impianto occorre tenere conto, inoltre, che i processi per evaporazione consentono la produzione di acqua praticamente priva di sali, mentre con i processi per osmosi inversa, per congelamento, per estrazione con solvente e per elettrodialisi si realizza una d. meno spinta; infine, la salinità finale di un’acqua trattata per scambio ionico dipende molto dalle condizioni operative dell’impianto.
a) Processi per evaporazione.
La separazione dell’acqua dai sali avviene per effetto del cambiamento di stato fisico dell’acqua stessa che viene evaporata; il vapore prodotto, successivamente condensato, risulta costituito da acqua praticamente pura. Il sistema di evaporazione più adottato per la d. è quello a espansioni multiple (v. fig.). Nel tipo ad attraversamento semplice l’acqua di mare entra da a e assume, all’uscita dello scambiatore di calore b, una temperatura tale che la corrispondente tensione di vapore sia superiore alla pressione regnante nella prima camera di evaporazione c dove, per effetto di tale differenza, avviene una rapida vaporizzazione; i vapori così generati condensano sui tubi di un serpentino d percorso dall’acqua grezza da trattare, e le condense e sono convogliate nel collettore di raccolta dell’acqua dissalata f. La soluzione salina che esce dalla prima camera di evaporazione percorre, in successione, tutte le altre camere (il numero complessivo può anche essere di qualche decina) ed esce da g. In ogni camera la tensione di vapore della soluzione viene sempre mantenuta lievemente superiore alla pressione regnante nella camera stessa, al fine di promuovere in ogni caso il fenomeno di rapida vaporizzazione. Naturalmente per effetto dell’evaporazione la soluzione va raffreddandosi ed è necessario, di conseguenza, diminuire progressivamente e in modo controllato la pressione, dalle prime alle ultime camere. I percorsi della soluzione salina che si va concentrando e dell’acqua grezza che si va preriscaldando sono in controcorrente; lo scambiatore di calore b, alimentato con vapore esterno, provvede a innalzare il livello termico dell’acqua grezza, già preriscaldata nel percorso attraverso i serpentini, fino al valore previsto per l’ingresso nella prima camera di vaporizzazione. Al posto dello schema ad attraversamento semplice, si preferisce adottare uno schema più complesso, a ricircolazione, concettualmente analogo al precedente, ma in cui l’acqua di mare che entra nell’impianto costituisce soltanto una piccola parte di quella in circolazione; questo schema consente una notevole riduzione del consumo di acqua di mare e quindi dei costi associati (pompaggio e pretrattamenti chimici), pur richiedendo una maggiore complessità di impianto. Rispetto agli altri metodi di evaporazione, il sistema ad espansioni multiple presenta il vantaggio che l’ambiente di evaporazione è ben distinto da quello ove avviene lo scambio termico; in tal modo diventano trascurabili i problemi relativi alla diminuzione dell’efficienza termica per formazione di incrostazioni sulle superfici di trasmissione. L’importanza assunta dal problema energetico ha indotto a studiare la possibilità di aumentare l’efficienza termodinamica del processo (e di ridurne, quindi, il consumo energetico specifico) tramite un innalzamento della massima temperatura del processo: tuttavia non appare economicamente conveniente superare i 130-140 °C a causa sia dell’aumento della corrosione e della precipitazione dei sali al crescere della temperatura, sia dell’incremento di valore dell’energia termica all’aumentare del suo livello di utilizzazione.
Trovano impiego anche processi di d. basati sulla evaporazione a multipli effetti e sulla termocompressione (➔ evaporazione). Il sistema a termocompressione, dopo aver utilizzato inizialmente gli evaporatori a tubi verticali a film liquido, ha adottato la tecnologia degli evaporatori orizzontali collegati fra loro in uno schema di processo che combina la termocompressione con l’evaporazione a multipli effetti. Una parte del vapore prodotto nell’ultimo stadio viene aspirata dall’eiettore che è alimentato da vapore esterno a media o alta pressione, mentre la parte rimanente è condensata in uno scambiatore di calore ove avviene il preriscaldamento dell’acqua di mare prelevata dall’esterno. La miscela del vapore aspirato e del vapore esterno è inviata all’interno dei tubi del fascio orizzontale del primo stadio, dove condensa; all’esterno del fascio viene spruzzata acqua di mare che parzialmente evapora; il vapore prodotto nel primo stadio è inviato all’interno dei tubi del fascio del secondo stadio, dove condensa, fornendo il calore richiesto per l’evaporazione di una parte dell’acqua di mare spruzzata sulla superficie esterna del fascio. Il processo si ripete negli stadi successivi, fino all’ultimo stadio dove, come già detto, una parte del vapore prodotto è aspirata dall’eiettore. Dopo il preriscaldamento una parte dell’acqua di mare viene spruzzata sulla superficie esterna degli evaporatori orizzontali costituenti i vari stadi, mentre la parte rimanente viene rigettata all’esterno. Rispetto al sistema a espansioni multiple, il sistema a termocompressione presenta diversi vantaggi (per es., minor numero di stadi a parità di rendimento e un valore più basso della velocità massima di processo); tuttavia il sistema a espansioni multiple è ancora la scelta tecnologica più adottata, sia per la maggiore esperienza gestionale sia per il minor pericolo di sporcare i tubi attraverso cui avviene il trasferimento di calore.
b) Processo per osmosi inversa. L’acqua da dissalare è messa in comunicazione con acqua dolce attraverso una membrana permeabile al solo solvente; applicando dal lato della soluzione salina una pressione superiore a quella che si genera per osmosi, s’inverte il normale senso di diffusione e il solvente tende ad abbandonare la soluzione con più alto tenore di sali. Il processo non viene ancora impiegato per la d. di acqua di mare, in quanto, essendo la pressione osmotica fra acqua di mare (salinità media: 35 g/l) e acqua distillata pari a circa 22 bar, la corrispondente pressione richiesta per ottenere un apprezzabile flusso di solvente attraverso la membrana può anche superare 100 bar. Il processo trova, invece, applicazione per la d. di acqua salmastra con salinità inferiore a 10 g/l e appare destinato a uno sviluppo sempre crescente, in relazione anche al modesto consumo energetico, notevolmente inferiore a quello richiesto dai processi evaporativi. Le membrane impiegate, generalmente a base di acetato di cellulosa modificato, sono a struttura asimmetrica costituita da un supporto poroso e da uno strato sottile omogeneo. Sono state realizzate membrane capaci di funzionare anche a pressioni di 75-80 bar e che possono, pertanto, essere usate per dissalare l’acqua di mare; le membrane sono impiegate nella configurazione piana (in modulo a spirale) o in forma di fascio di fibre cave (al cui interno si raccoglie l’acqua dissalata). L’acqua da dissalare deve essere filtrata molto accuratamente prima dell’immissione nei dissalatori.
c) Processi per congelamento. L’acqua si separa sotto forma di ghiaccio, lasciando una soluzione salina più concentrata. Stadi fondamentali sono la formazione di ghiaccio per effetto di un raffreddamento, la separazione dei cristalli di ghiaccio dalla soluzione salina concentrata (e il loro successivo lavaggio), la fusione dei cristalli di ghiaccio. Il minor valore del calore di congelamento dell’acqua rispetto a quello di evaporazione e i vantaggi conseguenti al più basso livello termico (dispersioni termiche minori, eliminazione dei pericoli di corrosioni e incrostazioni) rendono interessante il sistema, che, però, non si è ancora affermato su scala industriale.
d) Processo per elettrodialisi. Si utilizza l’elettrolisi per accelerare il fenomeno di dialisi attraverso membrane permselettive costituite da sostanze scambiatrici di ioni (➔ elettrodialisi).
e) Processi a scambio ionico. Si utilizza la proprietà che hanno alcune sostanze naturali o sintetiche di scambiare ioni. L’applicazione di questo tipo di processo è limitata dal contenuto salino delle acque grezze da trattare. Possono trovare conveniente utilizzazione solo per acque salmastre a bassa salinità, data l’alta incidenza che il costo delle sostanze rigeneranti ha sul costo totale.
Infrastrutture. Le infrastrutture necessarie a un impianto di d. sono: l’opera di presa a mare; l’impianto di filtrazione dell’acqua di mare; l’impianto di produzione di vapore a media o alta pressione da utilizzare nell’impianto di d. stesso e per il suo gruppo di produzione del vuoto; l’impianto elettrico per alimentare i motori delle pompe; l’impianto di potabilizzazione, se l’uso finale è quello civile (il permeato di un impianto a osmosi inversa contiene 200-400 ppm di sali, mentre l’acqua prodotta da un impianto evaporativo contiene soltanto alcune ppm di sali: in entrambi i casi l’acqua, se destinata a uso potabile, deve subire un idoneo trattamento); i serbatoi di stoccaggio per compensare le variazioni di richiesta dell’acqua da parte degli utilizzatori finali; l’impianto di pompaggio nella rete cittadina. Le infrastrutture elencate, pur se non tutte presenti (gli impianti a osmosi inversa non richiedono vapore), con il relativo costo di costruzione ed esercizio concorrono al costo finale dell’acqua dissalata utilizzata. Pertanto, nel caso di impianti evaporativi, quando le condizioni legislative locali lo consentano, per abbassare i costi finali si abbina la produzione di acqua dissalata con la produzione di energia elettrica da inviare nella rete nazionale (impianti duali o dual purpose); in tal caso l’impianto funziona con il vapore di bassa qualità proveniente dalla centrale elettrica alla quale esso è abbinato.
D. del petrolio grezzo
Nella tecnologia del petrolio, la d. consiste nel rimuovere l’acqua salata di giacimento, sia dispersa sia emulsionata nel petrolio dopo l’estrazione dal sottosuolo, oppure, se presenti, sali allo stato solido, prima di passare il grezzo alla raffinazione. I sali, principalmente cloruro di sodio, cloruro di calcio (ma anche di magnesio), solfuri, solfati, carbonati, bicarbonati e ossidi metallici, se non rimossi, sono fonte di vari inconvenienti: danno luogo a incrostazioni sulle pareti delle tubazioni e degli apparecchi (soprattutto degli scambiatori di calore e dei forni); inoltre, provocando sedimenti nei serbatoi d’immagazzinamento del grezzo, riducono la capacità di questi ultimi; depositandosi sui catalizzatori, ne ostacolano la funzione o ne determinano l’avvelenamento; per di più, i cloruri di calcio e di magnesio possono idrolizzare in determinate condizioni, liberando acido cloridrico e perciò dando origine a corrosioni. Con la d. si realizza altresì una maggiore economia delle operazioni di riscaldamento del grezzo, poiché viene eliminata l’acqua salata che è un componente a elevato calore specifico.
L’acqua dispersa si può eliminare per decantazione, in parte spontanea come quella che avviene nei serbatoi, in parte forzata nel corso di processi di lavorazione, lavando il grezzo e poi decantando sotto pressione ed eventualmente filtrando sempre sotto pressione. Metodi generali di d. sono però quelli chimici e quelli elettrici. I primi utilizzano una soluzione contenente l’agente deemulsionante, che viene disperso nel grezzo da trattare; al riscaldamento del grezzo seguono poi la decantazione e il drenaggio dell’acqua separata. I metodi elettrici, con i quali si può eliminare fino al 99% del sale e delle impurezze contenute, si basano sull’azione di un campo elettrostatico ad alto potenziale, che viene fatto attraversare dal grezzo (talvolta preventivamente trattato con un deemulsionante chimico per ridurre la stabilità dell’emulsione) in strati sottili: l’emulsione si rompe per progressiva agglomerazione delle particelle costituenti la fase acquosa, che viene eliminata per decantazione e drenaggio.