Elettrodialisi e dissalazione a membrana

Trasformare l’acqua di mare in acqua dolce, o togliere i sali da un liquido, si può fare anche con l’elettricità: spingendo gli ioni ad attraversare membrane che fanno passare gli uni e fermano gli altri. È l’elettrodialisi, una tecnica di separazione elegante che sfrutta la carica degli ioni per concentrarli o rimuoverli.

Vediamo come funzionano le membrane a scambio ionico, come la loro alternanza separa un’acqua dolce da una salata e dove questa tecnica trova impiego.

Separare con la carica

L’elettrodialisi sfrutta un fatto semplice: gli ioni hanno carica e quindi si muovono se sottoposti a un campo elettrico. I cationi positivi vanno verso il polo negativo, gli anioni negativi verso il polo positivo. Se si guida questo movimento facendo passare gli ioni attraverso membrane selettive, si può rimuoverli da un comparto e accumularli in un altro, ottenendo da una parte un liquido impoverito di sali e dall’altra uno arricchito.

Le membrane a scambio ionico

Il cuore della tecnica sono le membrane a scambio ionico, di due tipi. Le membrane a scambio cationico lasciano passare solo i cationi e bloccano gli anioni; quelle a scambio anionico fanno l’opposto. Questa selettività deriva dalle cariche fisse legate alla membrana, che respingono gli ioni di uguale segno e lasciano transitare quelli di segno opposto. Alternando i due tipi di membrana si costruisce una pila di comparti.

Comparti che si svuotano e si riempiono

Ecco il meccanismo. In una pila di membrane alternate, sotto il campo elettrico ogni ione migra verso il polo della carica opposta, ma può attraversare solo le membrane che lo lasciano passare, restando bloccato dalla successiva. Il risultato è che i comparti si dividono in due gruppi alternati: in alcuni gli ioni se ne vanno senza essere rimpiazzati, e l’acqua si addolcisce; negli altri gli ioni si accumulano, e l’acqua si concentra. Da una pila escono così due flussi, uno dolce e uno salato.

cationi → verso il polo negativo   |   anioni → verso il polo positivo

Le applicazioni

L’uso più noto dell’elettrodialisi è la dissalazione di acque salmastre, cioè moderatamente salate, per renderle potabili o adatte all’irrigazione. È efficiente proprio quando il sale da togliere non è troppo, dove altre tecniche risultano meno convenienti. Si usa inoltre nell’industria alimentare, per esempio per togliere sali dal siero del latte o stabilizzare i vini, e nel trattamento di scarichi industriali per recuperare sostanze di valore o ridurre l’inquinamento.

Pregi e confronto con altre tecniche

Rispetto ad altri metodi di dissalazione, l’elettrodialisi ha il pregio di consumare poca energia quando il sale da rimuovere è moderato, e di non richiedere alte pressioni. Inoltre le membrane non si intasano facilmente come quelle di altre tecniche, perché l’acqua non viene spinta attraverso di esse ma scorre lungo i comparti. Per acque molto salate, come quella di mare piena, conviene invece l’osmosi inversa. Una variante interessante funziona al contrario: mettendo a contatto un’acqua dolce e una salata attraverso le stesse membrane si può generare elettricità dalla differenza di salinità, una fonte di energia pulita studiata per le foci dei fiumi.

Cosa la limita

Come ogni tecnica, anche l’elettrodialisi ha i suoi limiti, ed è utile conoscerli per capire quando convenga davvero. Il consumo di energia cresce con la quantità di sale da rimuovere, perché ogni ione spostato costa corrente: per questo diventa poco conveniente sulle acque molto salate, dove gli ioni da trasportare sono troppi. Le membrane, inoltre, sono il componente delicato e costoso del sistema: vanno protette dalle sostanze che potrebbero sporcarle o danneggiarle, come particelle sospese, molecole organiche e microrganismi, che col tempo ne riducono l’efficienza e vanno rimossi con un pretrattamento dell’acqua. C’è poi un limite fisico alla velocità con cui si possono spingere gli ioni attraverso le membrane: oltre una certa corrente, vicino alla superficie della membrana la soluzione si impoverisce talmente di ioni che il processo perde efficienza e cominciano fenomeni indesiderati. Per questo gli impianti vanno progettati con cura, bilanciando velocità, consumo energetico e durata delle membrane. Conoscere questi limiti aiuta a scegliere l’elettrodialisi quando è davvero la soluzione migliore — tipicamente per acque salmastre e per usi in cui la selettività verso gli ioni è un pregio — e a preferire altre tecniche quando non lo è.

Domande frequenti

Che cos’è l’elettrodialisi?

È una tecnica che separa gli ioni da una soluzione usando un campo elettrico e membrane che lasciano passare selettivamente solo cationi o solo anioni. Serve soprattutto a dissalare acque moderatamente salate o a concentrare soluzioni saline, ed è apprezzata perché agisce in modo selettivo sugli ioni senza dover spingere l’acqua sotto pressione attraverso le membrane.

Come funzionano le membrane a scambio ionico?

Hanno cariche fisse legate alla loro struttura che respingono gli ioni dello stesso segno e lasciano passare quelli di segno opposto. Così le membrane a scambio cationico lasciano transitare solo i cationi e quelle a scambio anionico solo gli anioni.

Perché un comparto si addolcisce e l’altro si concentra?

Perché, nella pila di membrane alternate, gli ioni migrano verso il polo opposto ma vengono bloccati dalla membrana successiva. In alcuni comparti se ne vanno senza essere rimpiazzati, addolcendo l’acqua; negli altri si accumulano, concentrandola.

Quando conviene rispetto all’osmosi inversa?

Conviene quando il sale da rimuovere è moderato, come nelle acque salmastre, perché in quel caso consuma poca energia e le membrane non si intasano facilmente. Per acque molto salate, come quella di mare, è di solito più conveniente l’osmosi inversa.

Si può produrre energia dalla salinità?

Sì: mettendo a contatto un’acqua dolce e una salata attraverso membrane a scambio ionico, la differenza di salinità genera una tensione e quindi elettricità. È una fonte pulita studiata soprattutto alle foci dei fiumi, dove acqua dolce e marina si incontrano e dove questa differenza, sfruttata con le membrane giuste, potrebbe fornire energia in modo continuo e prevedibile.