Membrane e processi di separazione: filtrare a livello molecolare

Trasformare l’acqua di mare in acqua potabile, concentrare un succo di frutta senza scaldarlo, depurare un refluo, separare gas: tutto questo si fa, sempre più spesso, con le membrane. Sottili barriere selettive che lasciano passare alcune sostanze e ne trattengono altre, le membrane sono al centro di una vera rivoluzione nei processi di separazione, perché lavorano a freddo, con bassi consumi e senza reagenti.

Vediamo come funziona una membrana, quali sono i principali processi a membrana e che cosa li governa.

Che cos’è una separazione a membrana

Una membrana è una barriera selettiva che, sotto l’azione di una forza motrice (di solito una differenza di pressione), lascia passare alcune componenti di una miscela e ne trattiene altre. Il flusso che attraversa la membrana si chiama permeato, ciò che viene trattenuto concentrato (o ritentato). La selettività deriva dalle dimensioni dei pori, dalla carica o dall’affinità chimica: in pratica, la membrana “sceglie” cosa far passare.

I processi a membrana

I processi a membrana a pressione si classificano in base alla dimensione delle specie trattenute, dai più “grossolani” ai più “fini”. Più piccoli sono i pori (o più selettiva la membrana), maggiore è la pressione richiesta.

L’osmosi inversa

Il processo più spettacolare è l’osmosi inversa. Normalmente, per osmosi, l’acqua fluisce spontaneamente da una soluzione diluita a una concentrata attraverso una membrana semipermeabile, fino a una differenza di pressione chiamata pressione osmotica. Applicando una pressione esterna superiore a quella osmotica, si inverte il flusso: l’acqua viene spinta dalla soluzione concentrata (per esempio acqua di mare) a quella diluita, lasciando indietro i sali. È così che si dissala l’acqua.

Π = i M R T (pressione osmotica)

Il problema del fouling

Il principale nemico delle membrane è il fouling (sporcamento): particelle, colloidi, sostanze organiche e microrganismi si accumulano sulla superficie o nei pori della membrana, riducendone il flusso e la durata. Ecco perché torna centrale la chimica delle superfici vista finora: il fouling dipende dall’adsorbimento e dall’adesione delle sostanze sulla membrana, e si combatte con pretrattamenti, pulizie periodiche, e membrane progettate per essere meno “appiccicose” (a bassa adesione, spesso idrofile). Gestire il fouling è il vero banco di prova di ogni impianto a membrana.

Flusso tangenziale e configurazioni

Proprio per contrastare il fouling, gli impianti a membrana lavorano quasi sempre in flusso tangenziale (cross-flow): l’alimentazione scorre parallela alla membrana, e solo una parte la attraversa, mentre il flusso lungo la superficie «spazza via» le sostanze che tenderebbero a depositarsi. È l’opposto della filtrazione frontale (dead-end), in cui tutto il liquido passa attraverso il filtro e lo sporco si accumula rapidamente. Le membrane vengono inoltre assemblate in moduli compatti — a fibre cave, a spirale avvolta, tubolari, a piastre — studiati per offrire la massima area di membrana nel minimo ingombro e facilitare la pulizia. La scelta del modulo dipende dal tipo di fluido, dalla sua tendenza a sporcare e dalle esigenze di portata: un parametro progettuale tutt’altro che secondario.

Perché conta nella pratica

Le tecnologie a membrana sono in forte crescita perché offrono separazioni efficienti a basso consumo energetico e senza reagenti chimici aggiunti, spesso a temperatura ambiente (un vantaggio enorme per prodotti termosensibili). Si usano nel trattamento delle acque (potabilizzazione, dissalazione, riuso dei reflui), nell’alimentare (concentrazione di latte e succhi, recupero di proteine), in farmaceutica e biotecnologie (purificazione, sterilizzazione a freddo), nella chimica (separazione di gas, recupero di solventi). Per il tecnico, conoscere i processi a membrana, le forze in gioco e i meccanismi di fouling permette di scegliere, dimensionare e mantenere questi impianti, che sono spesso il cuore di una linea produttiva o di depurazione.

Domande frequenti

Come funziona una membrana di separazione?

È una barriera selettiva che, sotto una forza motrice (di solito una differenza di pressione), lascia passare alcune componenti della miscela (il permeato) e ne trattiene altre (il concentrato). La selettività dipende dalla dimensione dei pori, dalla carica della membrana o dall’affinità chimica con le sostanze da separare.

Che differenza c’è tra microfiltrazione, ultrafiltrazione e osmosi inversa?

Si distinguono per ciò che trattengono, dal più grossolano al più fine: la microfiltrazione ferma particelle e batteri, l’ultrafiltrazione le macromolecole e le proteine, la nanofiltrazione ioni multivalenti e piccole molecole, l’osmosi inversa quasi tutto, sali compresi. Più la membrana è selettiva, più pressione richiede.

Come funziona l’osmosi inversa per dissalare l’acqua?

Applicando alla soluzione salata una pressione superiore alla sua pressione osmotica, si inverte il flusso osmotico naturale: l’acqua viene spinta attraverso la membrana lasciando indietro i sali, e si ottiene acqua dolce. Per l’acqua di mare servono decine di bar di pressione, da cui il consumo energetico del processo.

Che cos’è il fouling delle membrane?

È lo sporcamento della membrana: particelle, colloidi, sostanze organiche e microrganismi si accumulano sulla superficie o nei pori, riducendo il flusso e la durata. Dipende dall’adsorbimento e dall’adesione delle sostanze sulla membrana, e si combatte con pretrattamenti, pulizie periodiche e membrane a bassa adesione.

Perché le membrane sono vantaggiose rispetto ad altri metodi?

Perché separano in modo efficiente con bassi consumi energetici, senza aggiungere reagenti e spesso a temperatura ambiente, il che è ideale per prodotti termosensibili come alimenti e farmaci. Sono usate in potabilizzazione, dissalazione, riuso dei reflui, concentrazione di alimenti e purificazioni farmaceutiche e biotecnologiche.