Dissalatori: il complesso mistero delle membrane

Per ottenere acqua potabile è fondamentale il controllo della struttura su scala nanometrica delle membrane

[11 Gennaio 2021]

Le membrane per la  desalinizzazione fungono da filtro per l’acqua salata: spingendo l’acqua attraverso la membrana si ottiene acqua pulita adatta all’agricoltura e al consumo umano e si può persino produrre energia. Un processo che sembra abbastanza semplice, ma che contiene complessità che per decenni hanno sconcertato gli scienziati.

Ora lo studio “Nanoscale control of internal inhomogeneity enhances water transport in desalination membranes”, pubblicato recentemente su Science da un team di ricercatori di Pennsylvania State University, University of Texas – Austin, Iowa State University, Dow Chemical Company e DuPont Water Solutions, rende nota  una scoperta chiave per capire come le membrane filtrano effettivamente i minerali dall’acqua.

Uno dei principali autori dello studio, Enrique Gomez dei dipartimenti Chemical Engineering, The Pennsylvania State University e Materials Science and Engineerin della Pennsylvania State University e che lavora anche per la Iowa State University, spiega che «Nonostante il loro utilizzo da molti anni, c’è molto che non sappiamo su come funzionano le membrane di filtrazione dell’acqua. Abbiamo scoperto che il modo in cui si controlla la distribuzione della densità della membrana stessa su scala nanometrica è molto importante per le performance di produzione dell’acqua».

Una scoperta realizzata grazie alla multimodal electron microscopy che, evidenzian o i ricercatori, «Combina l’imaging dettagliato su scala atomica con tecniche che rivelano la composizione chimica, per determinare se le membrane di desalinizzazione sono incoerenti in densità e massa». I ricercatori hanno così mappato le variazioni di densità nel film polimerico in tre dimensioni con una risoluzione spaziale di circa un nanometro, ovvero meno della metà del diametro di un filamento di DNA. Secondo Gomez, «Questo progresso tecnologico è stato fondamentale per comprendere il ruolo della densità nelle membrane. Si può vedere con i propri occhi come alcuni luoghi sono più o meno densi come in un filtro da caffè. Nelle membrane di filtrazione, sembra uniforme, ma non lo è su scala nanometrica, e il modo in cui controlli quella distribuzione di massa è davvero importante per le prestazioni di filtrazione dell’acqua».

L’altro leader del team di ricerca era Manish Kumar, del Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering dell’università del Texas – Austin, che, insieme a Gomez sottolinea che  «Questa è stata una sorpresa, poiché in precedenza si pensava che più spessa era la membrana, minore era la produzione di acqua».

Filmtec, che ora fa parte di DuPont Water Solutions, che produce numerosi prodotti per la desalinizzazione, ha collaborato con i ricercatori e ha finanziato il progetto perché i suuoi scienziati avevano scoperto che le membrane più spesse si stavano in realtà dimostrando più permeabili. I ricercatori hanno scoperto che non è tanto importante lo spessore, ma evitare regioni altamente dense o “zone morte” a livello di nanoscala. Gomez aggiunge che «In un certo senso, per massimizzare la produzione di acqua, una densità più consistente in tutta la membrana è più importante dello spessore».

Una scoperta che secondo i ricercatori potrebbe far aumentare l’efficienza della membrana dal 30% al 40%, con il risultato di più acqua filtrata con meno energia e un maggiore  risparmio sugli attuali costi della desalinizzazione.

Kumar fa notare che «Le membrane ad osmosi inversa sono ampiamente utilizzate per la pulizia dell’acqua, ma c’è ancora molto che non sappiamo su di loro. Non potevamo davvero dire come l’acqua si sposta attraverso di loro, quindi tutti i miglioramenti negli ultimi 40 anni sono stati essenzialmente fatti al buio».

Le membrane ad osmosi inversa funzionano applicando pressione su un lato, dove restano i minerali, mentre l’acqua passa. Anche se è più efficiente delle tecniche di  desalinizzazione senza membrana, questo richiede molta energia, ma il miglioramento dell’efficienza delle membrane potrebbe ridurre di molto il consumo energetico dei dissalatori.

Attualmente nel mondo sono in funzione più di 20.000 impianti di dissalazione, soprattutto in Paesi come Israele e le Monarchie del Golfo e nelle isole, ma il loro numero è destinato ad aumentare nei prossimi anni Gomez ricorda che «La gestione dell’acqua dolce sta diventando una sfida cruciale in tutto il mondo. Carenza, siccità: con l’aumento delle condizioni meteorologiche avverse, si prevede che questo problema diventerà ancora più significativo. E’ di fondamentale importanza avere a disposizione acqua pulita, specialmente nelle aree con poche risorse».

Intanto il team statunitense continua a studiare la struttura delle membrane e le reazioni chimiche coinvolte nel processo di desalinizzazione e sta anche esaminando come sviluppare le migliori membrane per materiali specifici, come membrane sostenibili ma resistenti che possono prevenire la formazione della crescita batterica.

Gomez  conclude: «Stiamo continuando a spingere le nostre tecniche con i materiali a prestazioni più elevate, con l’obiettivo di chiarire i fattori cruciali per una filtrazione efficiente».