DISSALAZIONE

DISSALAZIONE

Il termine d. si riferisce a tutti quei procedimenti che consentono di frazionare una soluzione acquosa salina in due parti, una pura, o con una concentrazione notevolmente inferiore a quella della soluzione iniziale, l'altra più concentrata perché contenente i sali residui. Molti metodi sono stati proposti per la d. ma solo pochi di essi sono stati sviluppati industrialmente. Una loro classificazione può essere fatta distinguendo i metodi basati sulla separazione dell'acqua dalla soluzione, da quelli basati sulla separazione dei sali dalla soluzione.

Alla prima categoria appartengono i processi evaporativi (espansioni multiple, multipli effetti, termocompressione, evaporazione solare), quelli basati sul congelamento, e quelli basati sull'impiego di membrane permeabili alle sole molecole di acqua (osmosi inversa). Alla seconda categoria, tra quelli industrialmente più impiegati, appartengono i processi basati sullo scambio ionico e quelli che impiegano membrane permeabili ai soli ioni derivanti dall'idrolisi dei sali in soluzione (elettrodialisi).

Fino al 1974 erano stati realizzati in tutto il mondo 85 impianti di d. con una capacità superiore ai 160 m³/ora (grande capacità), di cui 7 basati sull'elettrodialisi e 78 del tipo evaporativo, dei quali 59 a espansioni multiple. La capacità complessiva di questi impianti era di circa 50.000 m³/ora, di cui più dell'80% dovuta a impianti a espansioni multiple, meno del 5% a impianti d'elettrodialisi e il rimanente 15% a impianti evaporativi d'altro tipo.

Di impianti con capacità inferiore ai 160 m³/ora e superiore ai 4 m³/ora (media capacità) ne erano stati realizzati 812, di cui 714 di tipo evaporativo, 61 basati sull'elettrodialisi, 33 sulla osmosi inversa e 4 sul congelamento. La loro capacità complessiva di circa 55.000 m³/ora per l'88% è dovuta a impianti di tipo evaporativo, per il 7% all'elettrodialisi, per il 4% all'osmosi inversa e per meno dell'1% al congelamento.

Le soluzioni di alimento agl'impianti di d. sono per lo più le acque del mare e in alcuni casi le acque salmastre che sono caratterizzate da una concentrazione di sali non superiore a 10 g/l. L'acqua del mare, dal punto di vista chimico, è una soluzione acquosa contenente sali inorganici in forma ionica e gas disciolti. La composizione di questa soluzione è determinata da diversi fattori chimici, fisici e biologici. I primi consistono essenzialmente nelle reazioni di scambio tra cationi presenti nell'acqua del mare e quelli contenuti nei sedimenti del fondo. Tra i fattori fisici particolare importanza hanno il rapporto fra evaporazione e precipitazione, il mescolamento con le acque provenienti dai continenti e dalle alte profondità, la fusione dei ghiacciai e la non uniforme distribuzione della temperatura. I fattori biologici sono da ricollegarsi al meccanismo della fotosintesi e al metabolismo degli organismi viventi. In relazione al contributo di questi fattori la composizione dell'acqua del mare ha subìto mutamenti nelle varie epoche geologiche ed è sensibilmente diversa da regione a regione.

Gl'impieghi dell'acqua prodotta mediante d. possono essere civili e industriali (quelli agricoli sono ancora molto rari). Per i primi è sufficiente giungere a una salinità finale di circa 500 ppm (parti per milione); per i secondi sono spesso richieste d. molto più spinte.

Alla presenza di ossigeno e dei sali nell'acqua del mare sono legati due fra i principali problemi degl'impianti di d.: la corrosione dei metalli e la formazione di incrostazioni.

Tracce minime di ossigeno possono avviare la corrosione elettrochimica dei metalli a contatto con le soluzioni saline le quali presentano una notevole conducibilità elettrica.

Le incrostazioni, che derivano dai limiti di solubilità dei sali al variare della temperatura, causano una riduzione dell'efficienza degl'impianti, aumentando la resistenza al trasferimento di calore delle superfici di scambio termico, e comportano costose manutenzioni. In particolare il bicarbonato con un lieve aumento della temperatura si decompone in anidride carbonica, che si libera immediatamente, e in carbonato di calcio che, praticamente insolubile, si deposita. Il solfato di calcio e l'idrossido di magnesio hanno un comportamento retrogrado rispetto alla temperatura, divengono cioè meno solubili al crescere di questa e possono quindi depositarsi nelle parti calde dei dissalatori. La prevenzione dei fenomeni di sporcamento delle superfici di scambio rende necessari pretrattamenti chimici all'acqua di mare e una limitazione nelle massime temperature raggiungibili.

Evaporazione a espansioni multiple. - Nel processo a semplice attraversamento (fig.1), l'acqua di mare dopo un trattamento biocida per la distruzione dei microrganismi e di filtrazione per la rimozione delle sospensioni solide, viene acidificata per trasformare tutti i bicarbonati in solfati e introdotta alla sommità della colonna di degassaggio T, dove rilascia, mediante trattamento sotto vuoto con vapore, l'ossigeno disciolto e l'anidride carbonica prodotta nell'acidificazione. Viene quindi neutralizzata e inviata nel fascio tubiero dove si preriscalda recuperando il calore di condensazione; nel riscaldatore E riceve energia termica esterna a opera di vapore,. rispetto al cui consumo viene definito il rendimento dell'impianto come kg di acqua dissalata prodotta per kg di vapore condensato in E. L'acqua di mare entra quindi nel primo stadio dell'evaporatore in cui si espande producendo vapore che, condensando sul fascio tubiero, costituisce una prima porzione di prodotto. Il fenomeno si ripete in una serie di stadi mantenuti a pressioni via via descrescenti. La soluzione salina a ogni espansione si concentra e si raffredda ed è infine estratta dallo stadio N da cui fuoriesce anche il prodotto costituito dall'acqua dissalata. Il sistema di vuoto, costituito da una serie di eiettori, aspira costantemente i gas incondensabili sia dall'evaporatore che dal degassatore.

Il processo con ricircolazione (fig. 2) si differenzia dallo schema a semplice attraversamento per la presenza, oltre alla sezione di recupero, della sezione di raffreddamento. Dall'ultimo stadio di quest'ultima si preleva la salamoia e la si ricircola parzialmente nel fascio tubiero della sezione di recupero assieme al rimbocco pretrattato chimicamente e degassato. Per mantenere la concentrazione salina della soluzione circolante al livello desiderato è necessario operare uno spurgo continuo di una parte della salamoia in rapporto costante rispetto alla portata di acqua dissalata prodotta. Con questo schema rispetto al precedente si ottiene una notevole riduzione del consumo di acqua di mare e dei relativi costi (pompaggio e pretrattamenti chimici). D'altro canto si ha una maggior complessità dell'impianto e una maggiore concentrazione salina della salamoia circolante con conseguente esigenza di un più accurato controllo della sua temperatura massima.

In questo tipo di impianti tanto maggiore è il numero degli stadi tanto minore è la superficie di scambio termico a parità delle altre condizioni. In sede di progetto il numero di stadi deve essere desunto da un'analisi ottimale che considera sia i costi dei fasci tubieri, sia la complessità e quindi il costo della struttura dell'evaporatore, al crescere del numero di stadi. Rendimenti più alti possono essere ottenuti con superfici di scambio termico maggiori a parità di altre condizioni. Il valore del rendimento deve discendere in sede di progetto da un'indagine ottimale che considera, da una parte il costo dell'impianto e dall'altra i costi connessi con il consumo di vapore.

Il processo a espansioni multiple è attualmente di gran lunga il più utilizzato; produce, come del resto tutti quelli di tipo evaporativo acqua estremamente pura (fino a pochi ppm) e si presta alla realizzazione di impianti di grandi dimensioni.

Evaporazione a multipli effetti. - In questo tipo di processo si utilizza il principio in base al quale il vapore prodotto a una certa pressione da una soluzione salina può essere riutilizzato come fluido riscaldante della medesima purché questa venga introdotta in un ambiente a pressione inferiore rispetto al precedente.

L'acqua di mare (fig. 3), dopo trattamento chimico e degassaggio, viene preriscaldata negli scambiatori E-1, E-2, E-N a spese di una parte del vapore prodotto negli evaporatori (effetti) in cascata. Viene quindi immessa nel primo effetto dove, grazie all'apporto di energia termica esterna, subisce parziale vaporizzazione, all'interno dei tubi. La soluzione residua viene immessa nel secondo effetto, mantenuto a pressione e quindi temperatura più bassa rispetto al primo, dove subisce un'ulteriore vaporizzazione parziale grazie al calore ricevuto dal vapore proveniente dal primo effetto che condensa nel mantello del secondo. Il fenomeno si ripete negli effetti in cascata. Le condense vengono raccolte nei serbatoi di espansione D-1, D-2,..., D-n-1 alla stessa pressione dell'effetto da cui provengono; dall'espansione che ne deriva si produce vapore, che si riunisce con quello inviato allo stadio successivo, e liquido, che costituisce il prodotto di ciascun effetto e che si riunisce a quello dei successivi.

Il rendimento η dell'impianto è legato al numero N di effetti e al rendimento medio K del singolo effetto (compreso tra 0,85 e 0,95) ed è η = K(1 − K^N)/(1 − K). Il valore ottimo di N deve derivare da un'analisi economica che tenga conto del costo d'impianto e del costo di esercizio dovuto al consumo di energia termica. Tanto più alto sarà il costo del vapore tanto più conveniente risulterà progettare impianti ad alto rendimento ottenuto tramite un elevato numero degli effetti con conseguente notevole costo d'impianto.

È un processo che si presta alla realizzazione di impianti anche di grandi dimensioni i cui costi non sono però oggi competitivi con quelli degl'impianti a espansioni multiple.

Evaporazione a termocompressione. - Il processo si basa sul principio per il quale il vapore prodotto da una soluzione in ebollizione, se compresso, può essere riutilizzato come fluido riscaldante della soluzione da cui si è generato.

L'acqua di mare (fig. 4), dopo aver subito trattamenti chimici e di degassaggio, attraversa gli scambiatori E-1 ed E-2 dove si preriscalda recuperando calore dalle correnti di distillato e spurgo uscenti dall'evaporatore. Successivamente, riunita con una corrente di ricircolo entra nell'evaporatore ove si genera vapore utilizzando come sorgente calda lo stesso vapore prodotto compresso in C. La condensa costituisce il prodotto dissalato. L'energia fornita dall'esterno è quella meccanica che aziona il compressore; a un suo aumento corrisponde un incremento della pressione e della temperatura di condensazione e conseguentemente una diminuzione della superficie di scambio termico. Un'analisi ottimale dei costi d'impianto ed esercizio consente d'individuare il rapporto di compressione che minimizza i costi globali di produzione.

Il processo a termocompressione è particolarmente adatto per le piccole potenzialità; l'impianto è compatto e semplice da condurre.

Evaporazione solare. - Si realizza in un collettore solare (fig. 5) per il quale sono state proposte diverse geometrie, ma che comunque è costituito da una vasca con il fondo nero e con il tetto trasparente. Il primo è ottenuto mediante verniciatura o ricopertura con politene o gomma butilica neri. Il secondo è costituito da vetro, generalmente preferito al materiale plastico.

All'interno della vasca defluisce l'acqua da dissalare; le radiazioni solari attraversano il tetto e lo strato d'acqua, sono assorbite dal fondo che a sua volta cede calore all'acqua che evapora umidificando l'aria soprastante. Le lastre di vetro, poiché assorbono in minima parte le radiazioni, assumono una temperatura che è inferiore a quella di rugiada della miscela aria-vapore e agiscono quindi da superfici di condensazione. Il condensato, raccolto grazie a un'opportuna inclinazione del tetto, costituisce il prodotto. L'impiego dell'evaporazione solare è comunque limitato all'approvvigionamento potabile di piccole comunità in particolari condizioni geografiche, dato che, nonostante i consumi energetici molto bassi e la semplicità del processo, le dimensioni e i costi d'impianto sono molto elevati in relazione alla bassa produzione specifica dell'ordine di 5 litri/giorno per m² di superficie esposta.

Congelamento. - Il processo per congelamento diretto prevede l'immissione della corrente salina a circa 0 °C in un'apparecchiatura mantenuta sotto vuoto (3,3 mm_Hg). Parte dell'acqua evapora sottraendo calore al liquido che in parte solidifica. Il liquido risultante è concentrato nei sali; il vapore condensato e il ghiaccio fuso costituiscono l'acqua dissalata prodotta. Il processo per congelamento mediante refrigerante secondario prevede il mescolamento tra l'acqua salina e un idrocarburo liquido (butano, propano) in un'apparecchiatura mantenuta a una pressione di poco inferiore a quella atmosferica; l'idrocarburo evapora sottraendo calore all'acqua che in parte solidifica; viene poi compresso e condensato utilizzando le frigorie del ghiaccio prodotto e infine rimesso in ciclo. Il ghiaccio, dopo fusione per trasferimento di calore dall'idrocarburo che condensa, costituisce il prodotto (acqua dissalata). I processi a congelamento presentano minimi fenomeni di corrosione e incrostazione data la bassa temperatura di lavoro ma sono caratterizzati da elevati costi d'impianto. I cristalli di ghiaccio ottenuti in questi processi devono essere sottoposti a lavaggio con acqua dolce in quanto, seppur costituiti da acqua pura, trattengono una certa quantità di sale aderente alla loro superficie. L'acqua prodotta è comunque utilizzabile solo per usi civile e le capacità degl'impianti sono abbastanza limitate.

Osmosi inversa (iperfiltrazione). - Quando due soluzioni di uno stesso solvente a concentrazione salina diversa sono poste a contatto mediante una membrana permeabile al solvente e non al soluto, si verifica un passaggio spontaneo di solvente dalla soluzione salina meno concentrata a quella più concentrata (osmosi).

Aumentando la pressione della soluzione più concentrata il flusso attraverso la membrana diminuisce fino ad annullarsi quando viene raggiunta la differenza delle pressioni osmotiche delle due soluzioni. Un ulteriore incremento della pressione comporta l'inversione del fenomeno osmotico (fig. 6). Indicando con F la portata di acqua per unità di superficie si ha: F = R(ΔP − Δπ), in cui ΔP e Δπ rappresentano rispettivamente la differenza di pressioni applicate e osmotiche e R una costante di flusso caratteristica della membrana.

Le membrane usate industrialmente non sono perfettamente semipermeabili e il flusso di sali che si associa a quello di acqua è proporzionale alla differenza di concentrazione delle due soluzioni. L'acqua ottenibile è quindi più idonea per usi civili che per quelli industriali e gl'impianti realizzabili sono di capacità abbastanza limitate. Con il procedere dell'esercizio le membrane, soggette a una differenza di pressione tanto più elevata quanto maggiore è la salinità dell'acqua da trattare (oltre le 100 atm, per l'acqua di mare; anche oltre le 40 atm, per le acque salmastre) si deteriorano con conseguente diminuzione della costante di flusso e della selettività rispetto ai sali. Sul piano energetico il procedimento che richiede esclusivamente energia di pompaggio appare estremamente vantaggioso per la d. delle acque salmastre, dove è competitivo con l'elettrodialisi, e presenta notevole interesse anche per l'acqua di mare.

Elettrodialisi. - Si basa sull'impiego delle membrane cosiddette perm-selettive che consentono il passaggio di soli ioni positivi (membrane cationiche) o di soli ioni negativi (membrane anioniche).

Alternando (fig. 7) membrane anioniche (A) a membrane cationiche (C) si può realizzare un'apparecchiatura tale che l'acqua alimentata nei compartimenti contraddistinti dai numeri dispari si dissala attraversandoli, mentre quella alimentata negli altri si concentra. Infatti gli ioni, in cui il sale in soluzione è dissociato, sotto l'azione del campo elettrico, generato dall'applicazione di una differenza di potenziale continua agli elettrodi, tendono a muoversi verso gli elettrodi di segno opposto; ma, mentre possono attraversare le membrane che delimitano i canali dispari, fuoriuscendone, non possono attraversare, nella direzione del loro moto, le membrane che delimitano i canali pari, quindi in questi si accumulano. È evidente in questo processo l'antieconomicità di una d. spinta nella quale la rimozione delle ultime tracce di sali avverrebbe a costi proibitivi data la bassa conducibilità della soluzione, come pure di una d. di soluzioni ad alta salinità iniziale, in quanto, seppur basso il consumo di energia riferito all'unità di peso di sali asportati, diviene elevatissimo se riferito all'unità di volume dell'acqua da trattare. Il processo trova quindi un impiego ottimale in impianti di piccola e media potenzialità per il trattamento di acque salmastre con salinità non superiore a 5000 ÷ 7000 ppm, per la produzione di acqua con salinità non inferiore alle 300 ÷ 500 ppm, idonea a usi prevalentemente civili. Sul piano tecnologico i maggiori inconvenienti dell'elettrodialisi sono connessi con il limitato tempo di vita delle membrane che debbono essere periodicamente sostituite.

Scambio ionico. - Si basa sulle proprietà delle resine scambiatrici di legare a sé gli ioni contenuti nelle soluzioni saline con cui vengono in contatto cedendo loro gli ioni legati ai gruppi funzionali della loro struttura molecolare. La resina cosiddetta cationica cede lo ione idrogeno H⁺ del suo gruppo funzionale e trattiene il catione della soluzione salina; la resina cosiddetta anionica cede il suo gruppo OH^- e trattiene l'anione della soluzione salina. Il risultato finale delle due reazioni è la sostituzione in due stadi dei sali disciolti in soluzione con un equivalente numero di molecole di acqua. Dopo un certo periodo di funzionamento le resine perdono le loro capacità scambiatrici in relazione alla saturazione dei centri attivi. È necessario allora procedere alla rigenerazione che si realizza ponendo in contatto il letto di resine cationiche con soluzioni acide in grado di cedere ioni H⁺, e quello di resine anioniche con soluzioni alcaline in grado di cedere ioni OH^- ripristinando così la funzionalità dei centri attivi. È inoltre necessaria una fase detta di lavaggio in cui si elimina dai letti l'eccesso di soluzione rigenerante prima di restituirli alla fase di esercizio. Il consumo di soluzioni rigeneranti è direttamente proporzionale all'entità dei sali trattenuti dalla resina e quindi il costo specifico della rigenerazione è tanto maggiore quanto maggiore è la salinità iniziale dell'acqua, che per un impiego economico del processo, dovrebbe essere ≈ 1500 ppm. L'acqua prodotta è purissima. Vedi tav. f. t.

Bibl.: K. S. Spiegler, Principles of desalination, New York e Londra 1966; D. Barba, G. Liuzzo, G. Tagliaferri, La dissalazione per lo sviluppo economico, Milano 1972; R. Bakish, Practice of desalination, Park Ridge, N. J., 1973; A. A. Delyannis, E. A. Delyannis, Water desalting, Heidelberg 1974.