Osmosi inversa e nanofiltrazione: pressione, reiezione, dissalazione

L’osmosi inversa rovescia un fenomeno spontaneo: invece di lasciare che l’acqua diluisca una soluzione concentrata, si applica una pressione superiore a quella osmotica e si costringe il solvente ad attraversare una membrana densa, lasciando indietro i sali. È il cuore della dissalazione moderna, e la nanofiltrazione ne è la versione «più aperta», capace di trattenere ioni multivalenti lasciando passare i monovalenti.

Vediamo che cos’è la pressione osmotica, perché serve superarla, quanto si reietta in pratica, a quali pressioni di esercizio si lavora e dove si colloca la nanofiltrazione tra RO e ultrafiltrazione.

La pressione osmotica e il suo rovesciamento

Se due soluzioni a diversa concentrazione sono separate da una membrana che lascia passare solo il solvente, l’acqua migra spontaneamente verso la soluzione più concentrata fino a stabilire una differenza di pressione: la pressione osmotica Π. L’osmosi inversa applica dall’esterno una pressione maggiore di Π, invertendo il flusso: ora è l’acqua a uscire dalla soluzione salina verso il lato pulito, mentre i sali restano confinati.

Quanta pressione serve davvero

La pressione osmotica dell’acqua di mare è dell’ordine di alcune decine di bar (tipicamente 25–28 bar per una salinità intorno ai 35 g/L). Per dissalarla per osmosi inversa non basta pareggiarla: occorre superarla con un margine che fornisca un flusso utile e che compensi l’aumento di concentrazione a ridosso della membrana. Per questo gli impianti di dissalazione di acqua di mare lavorano a pressioni di 55–80 bar, mentre per acque salmastre, molto meno saline, bastano 10–25 bar.

p_applicata > Π  →  flusso di permeato J_w = A · (Δp − ΔΠ)

Nell’equazione, A è la permeabilità della membrana all’acqua, Δp la pressione netta applicata e ΔΠ la differenza di pressione osmotica tra i due lati: il flusso è governato dalla pressione efficace, cioè da quanto si supera l’osmosi. Quando il sale si accumula sulla faccia della membrana, ΔΠ locale cresce e il flusso cala: è il preludio alla polarizzazione di concentrazione, trattata nell’articolo sul fouling.

La reiezione: quanto trattiene la membrana

La capacità di una membrana di trattenere un soluto si misura con la reiezione: la frazione di soluto che non passa nel permeato. Le membrane di osmosi inversa raggiungono reiezioni del sale superiori al 99%, perché non hanno veri pori: il trasporto avviene per soluzione-diffusione attraverso la matrice densa del polimero, e gli ioni idratati sono in larga parte esclusi. La nanofiltrazione, con una struttura leggermente più aperta e spesso carica, è selettiva: trattiene bene gli ioni bivalenti (Ca²⁺, Mg²⁺, SO₄²⁻) e le molecole organiche di qualche centinaio di Dalton, lasciando passare buona parte dei monovalenti come Na⁺ e Cl⁻.

Nanofiltrazione: il gradino intermedio

La nanofiltrazione occupa la fascia tra l’osmosi inversa e l’ultrafiltrazione. Lavora a pressioni più basse della RO (5–20 bar) perché deve vincere una pressione osmotica minore: trattenendo soprattutto ioni multivalenti, il salto osmotico è inferiore e quindi il consumo energetico anche. È la scelta tipica per l’addolcimento dell’acqua (rimozione di durezza), per concentrare zuccheri e composti organici nell’industria alimentare e per separare sali bivalenti da monovalenti in flussi di processo. La sua selettività verso gli ioni nasce in parte dalla carica fissa della membrana, che respinge per effetto Donnan i co-ioni dello stesso segno.

Il limite energetico

Il consumo minimo di un processo di dissalazione è fissato dalla termodinamica: separare acqua pura da una soluzione costa almeno il lavoro pari alla variazione di energia libera, cioè dell’ordine della pressione osmotica per il volume estratto. Gli impianti reali consumano di più per via delle inefficienze, ma l’osmosi inversa moderna, con recupero di energia dal flusso di concentrato in pressione, si è avvicinata molto a questo limite, scendendo a pochi kWh per metro cubo di acqua dissalata. È il motivo per cui ha soppiantato i processi termici nella maggior parte dei nuovi impianti.

Perché conta nella pratica

Per chi progetta o gestisce un trattamento acque, distinguere osmosi inversa e nanofiltrazione significa scegliere la pressione di esercizio, il consumo energetico e il grado di purezza giusti per l’obiettivo. Dissalare acqua di mare richiede la RO ad alta pressione; addolcire o separare sali multivalenti chiama la nanofiltrazione, più economica. Capire che la pressione utile è quella che eccede l’osmosi, e che l’accumulo di sale sulla membrana la fa salire localmente, è la base per dimensionare correttamente un impianto e prevederne le prestazioni.

Domande frequenti

Che cos’è l’osmosi inversa?

È un processo di separazione a membrana in cui si applica a una soluzione salina una pressione superiore alla sua pressione osmotica, costringendo il solvente ad attraversare una membrana densa mentre i sali restano indietro. Non avviene attraverso pori, ma per soluzione-diffusione nella matrice del polimero, ed è il metodo principale per dissalare l’acqua e produrre acqua ad alta purezza.

A che pressione lavora un impianto di dissalazione?

Dipende dalla salinità. Per l’acqua di mare, la cui pressione osmotica è di circa 25–28 bar, si lavora tipicamente a 55–80 bar per avere un flusso utile e compensare l’accumulo di sale sulla membrana. Per le acque salmastre, molto meno saline, bastano 10–25 bar. La pressione efficace è sempre quella che supera la pressione osmotica.

Qual è la differenza tra osmosi inversa e nanofiltrazione?

La nanofiltrazione è più «aperta» e selettiva: trattiene gli ioni bivalenti come calcio, magnesio e solfati e le molecole organiche di qualche centinaio di Dalton, lasciando passare buona parte dei monovalenti come sodio e cloruro. Lavora a pressioni più basse (5–20 bar) e consuma meno. La RO trattiene quasi tutti gli ioni e serve quando occorre acqua davvero desalinizzata.

Quanto sale trattiene una membrana di osmosi inversa?

Più del 99% nelle applicazioni di dissalazione di acqua di mare. La reiezione è alta perché la membrana non ha veri pori: il trasporto avviene per soluzione-diffusione attraverso la matrice densa, e gli ioni idratati sono in gran parte esclusi. La frazione di sale che passa nel permeato dipende anche dalla pressione e dalla concentrazione a ridosso della membrana.

Perché l’osmosi inversa ha sostituito i processi termici di dissalazione?

Perché consuma molta meno energia. Il costo minimo di separazione è fissato dalla termodinamica, ed è basso; la RO moderna, recuperando l’energia dal concentrato che esce ancora in pressione, si avvicina a quel limite scendendo a pochi kWh per metro cubo, contro le grandi quantità di calore richieste dai processi di evaporazione. Per questo domina i nuovi impianti.