Osmosi inversa osmoticamente assistita, simulata per ottenere elevate concentrazioni di soluti, a basso consumo energetico

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13741 (2022) Citare questo articolo

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L’elettrosintesi microbica (MES) è una tecnologia emergente per il trattamento sostenibile delle acque reflue. La soluzione diluita di acetato, prodotta tramite MES, deve essere recuperata, poiché le soluzioni diluite possono essere costose da immagazzinare e trasportare. L'acetato è costoso e dannoso per l'ambiente da recuperare mediante metodi evaporativi ad alta intensità di calore, come la distillazione. Per perseguire un migliore risparmio energetico, viene simulato un sistema di separazione a membrana per aumentare la concentrazione dall'1 al 30% in peso, ad una pressione idraulica di circa 50 bar. Il concentrato viene quindi simulato per essere essiccato a caldo. L'osmosi inversa (RO) potrebbe aumentare la concentrazione di acetato all'8% in peso. Viene quindi simulato un nuovo adattamento dell'osmosi inversa osmoticamente assistita (OARO) per aumentare la concentrazione dall'8 al 30% in peso. L’inclusione di OARO, piuttosto che di un’unità RO autonoma, riduce il fabbisogno totale di calore ed energia elettrica di un fattore di 4,3. Si aggiunge al requisito dell'area della membrana di un fattore 6. Le simulazioni OARO sono condotte dal modello di polarizzazione della concentrazione interna (ICP). Prima di utilizzare il modello, questo viene adattato ai dati sperimentali OARO, ottenuti dalla letteratura. Da questo esercizio di adattamento del modello vengono accertati il ​​numero di struttura della membrana di 701 µm e il coefficiente di permeabilità di 2,51 L/m2/h/bar.

L'elettrosintesi microbica (MES) è una tecnologia emergente per il trattamento delle acque reflue, dove l'acido acetico (AA) è il sottoprodotto più ampiamente studiato2,19,36. Gadkari et al.20 hanno studiato il MES, per la produzione rinnovabile di acetato, consumando anidride carbonica di scarto, prodotta da altri processi. Si è riscontrato che il maggiore ostacolo contro questo adattamento del processo MES sono le basse concentrazioni di prodotto, soprattutto in modalità di funzionamento continuo10,48. Il recupero dell'acetato a concentrazioni così basse si è rivelato impraticabile. Inoltre, l’AA prodotto è allo studio come substrato per processi MES, per produrre carburante e altri prodotti costosi21. Il supporto non utilizzato deve essere rimosso, per soddisfare i consensi ambientali.

La separazione dell'AA dall'acqua è complicata, costosa e onerosa dal punto di vista ambientale42,62,64. Se si aggiunge una mole di idrossido di sodio per ogni mole di AA nella soluzione, si forma il sale acetato di sodio, che è molto meno permeabile dell'AA. Pertanto, può essere separato tramite osmosi inversa (RO), in modo molto più efficiente. Il sale prodotto è commerciabile, è più costoso dell'acido acetico e può essere riconvertito nei corrispondenti acidi grassi volatili e alcol. Si presuppone una soluzione all'1% in peso di acetato di sodio come concentrazione ottimistica ma realistica per l'alimentazione del sistema di separazione, qui analizzato.

La distillazione e l'essiccazione termica sono tra le tecniche di separazione ampiamente utilizzate nelle industrie di processo. Tali sistemi di separazione ad alta intensità di calore sono stati ritenuti praticabili, in parte grazie alla disponibilità di calore a basso costo e non rinnovabile. Tecnologie di separazione più efficienti dal punto di vista energetico, che possono essere alimentate da fonti rinnovabili, sono preferite, sia per motivi economici che ambientali. Per concentrare soluzioni acquose, un esempio di tecnica adatta è un sistema di separazione a membrana alimentato in modo rinnovabile. Tali sistemi sono spesso molte volte più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle alternative evaporative, a causa del calore latente di evaporazione insolitamente elevato dell'acqua.

Quando una membrana semipermeabile viene posta tra due soluzioni di diversa concentrazione molare, l'acqua permea dal lato a concentrazione più bassa della membrana al lato a concentrazione più alta. Questo fenomeno è denominato osmosi diretta (FO). Il flusso d'acqua attraverso la membrana può essere ostacolato applicando un'adeguata pressione idraulica contro il flusso osmotico dell'acqua. La differenza di pressione idraulica attraverso la membrana che risulta in un flusso d'acqua pari a zero è la differenza di pressione osmotica tra le due soluzioni. Se la pressione idraulica, contro il flusso naturale, supera la differenza di pressione osmotica, l'acqua permea dal lato a concentrazione più alta a quello a concentrazione più bassa della membrana. Questo fenomeno, noto come osmosi inversa (RO), è ampiamente utilizzato per recuperare acqua da soluzioni acquose e concentrare il soluto.