Elettrodialisi e pervaporazione: separare senza pressione

Non tutti i processi a membrana sono spinti dalla pressione. L’elettrodialisi usa un campo elettrico per spostare gli ioni attraverso membrane a scambio ionico; la pervaporazione sfrutta una differenza di attività chimica per far evaporare selettivamente un componente attraverso una membrana densa. Sono tecniche di nicchia, ma risolvono problemi dove la pressione non basta.

Vediamo come funziona la pila di membrane dell’elettrodialisi, perché le membrane a scambio ionico sono selettive, che cos’è la forza motrice della pervaporazione e dove queste tecniche danno il meglio.

Elettrodialisi: separare con un campo elettrico

L’elettrodialisi dissala una soluzione applicando un campo elettrico attraverso una pila di membrane alternate: a scambio cationico e a scambio anionico, una dopo l’altra. Sotto il campo, i cationi migrano verso il catodo e gli anioni verso l’anodo, ma ciascuno può attraversare solo la membrana del proprio segno. Il risultato è che, compartimento dopo compartimento, gli ioni si concentrano in alcune celle e si svuotano dalle adiacenti: si formano correnti alternate di soluzione diluita (il prodotto desalinizzato) e concentrata (lo scarto salino).

Perché le membrane a scambio ionico sono selettive

La selettività di una membrana a scambio ionico nasce dalla sua carica fissa. Una membrana cationica porta gruppi fissi negativi: attira e lascia passare i cationi, ma respinge i co-ioni negativi per repulsione elettrostatica. È l’esclusione di Donnan: i co-ioni dello stesso segno della carica fissa sono espulsi dalla membrana, che diventa così permeabile quasi solo ai contro-ioni. È lo stesso principio che rende selettivi gli elettrodi a vetro e molte membrane biologiche, e che spiega la selettività ionica senza bisogno di pori di dimensioni diverse.

c_co-ione nella membrana ≪ c nel volume  (esclusione di Donnan)

Il trasporto complessivo nell’elettrodialisi non è solo migrazione di ioni: l’acqua di idratazione viene trascinata con loro per elettro-osmosi, e questo fissa un limite a quanto si può concentrare il flusso di scarto. Conduzione ed elettro-osmosi insieme governano l’efficienza e il consumo energetico del processo, che cresce con la quantità di sale da rimuovere: per questo l’elettrodialisi conviene per soluzioni poco e mediamente saline, mentre per l’acqua di mare resta più economica l’osmosi inversa.

Pervaporazione: separare facendo evaporare

La pervaporazione è elegante: il liquido da trattare bagna una faccia di una membrana densa, mentre dall’altra si mantiene una pressione bassissima o un flusso di gas. Il componente che la membrana preferisce si dissolve, diffonde attraverso la matrice e evapora sul lato a bassa pressione, dove viene condensato. La forza motrice è la differenza di attività chimica (in pratica, di pressione di vapore parziale) del componente tra i due lati, non una pressione meccanica applicata al liquido.

Dove la pervaporazione vince

La sua applicazione classica è separare miscele che la distillazione non riesce a separare: gli azeotropi. Disidratare l’etanolo oltre il punto azeotropico con l’acqua, per esempio, è impossibile per semplice distillazione, ma una membrana idrofila che lascia passare preferenzialmente l’acqua lo fa con un consumo energetico contenuto, perché evapora solo la piccola frazione d’acqua e non l’intera miscela. La pervaporazione si usa anche per rimuovere tracce di composti organici dall’acqua e per recuperare aromi. Resta una tecnica di nicchia, scelta proprio dove la differenza di volatilità non basta a separare.

Tecniche per problemi specifici

Elettrodialisi e pervaporazione non competono con l’osmosi inversa sui grandi volumi di dissalazione, ma occupano nicchie precise: l’elettrodialisi dove conviene spostare gli ioni invece dell’acqua (soluzioni mediamente saline, recupero di acidi e basi, demineralizzazione di prodotti alimentari), la pervaporazione dove la distillazione fallisce (azeotropi, disidratazione di solventi). Conoscere la forza motrice di ciascuna — elettrica, di attività o di pressione — è ciò che permette di scegliere lo strumento giusto per il problema giusto.

Perché conta nella pratica

Saper riconoscere quando un problema di separazione chiama l’elettrodialisi o la pervaporazione, invece dell’onnipresente osmosi inversa, è ciò che distingue un tecnico esperto. Se occorre demineralizzare un prodotto alimentare o recuperare un acido, spostare gli ioni con un campo elettrico è spesso più efficiente che spremere via l’acqua; se occorre superare un azeotropo, nessuna pressione meccanica aiuta, ma una membrana selettiva sì. Capire la forza motrice di ciascun processo è la bussola per scegliere bene.

Domande frequenti

Come funziona l’elettrodialisi?

Applica un campo elettrico attraverso una pila di membrane a scambio ionico alternate, cationiche e anioniche. Sotto il campo i cationi migrano verso il catodo e gli anioni verso l’anodo, ma ciascuno può attraversare solo la membrana del proprio segno. Così gli ioni si accumulano in alcuni compartimenti e si svuotano dagli adiacenti, creando correnti alternate di soluzione diluita (il prodotto) e concentrata (lo scarto).

Perché una membrana a scambio ionico è selettiva?

Per la sua carica fissa. Una membrana cationica porta gruppi fissi negativi che attirano i cationi e respingono i co-ioni negativi per repulsione elettrostatica: è l’esclusione di Donnan. La membrana diventa così permeabile quasi solo ai contro-ioni del segno opposto. La selettività nasce dall’interazione elettrostatica all’interfaccia, non da pori di dimensioni diverse.

Quando conviene l’elettrodialisi rispetto all’osmosi inversa?

Quando la soluzione è poco o mediamente salina e conviene spostare gli ioni invece dell’acqua, perché il consumo energetico dell’elettrodialisi cresce con la quantità di sale da rimuovere. È usata per acque salmastre, recupero di acidi e basi e demineralizzazione di prodotti alimentari. Per l’acqua di mare, molto salina, resta in genere più economica l’osmosi inversa.

Che cos’è la pervaporazione?

È un processo in cui un liquido bagna una faccia di una membrana densa e il componente che la membrana preferisce si dissolve, diffonde attraverso la matrice ed evapora sull’altra faccia, mantenuta a bassa pressione, dove viene condensato. La forza motrice è la differenza di attività chimica (pressione di vapore parziale) del componente tra i due lati, non una pressione meccanica applicata al liquido.

A cosa serve la pervaporazione?

Soprattutto a separare miscele che la distillazione non riesce a dividere, gli azeotropi. L’esempio classico è la disidratazione dell’etanolo oltre il punto azeotropico con l’acqua, fatta con una membrana idrofila che lascia passare preferenzialmente l’acqua, con consumo energetico contenuto perché evapora solo la frazione d’acqua. Si usa anche per rimuovere tracce di organici dall’acqua e recuperare aromi.