Dissalazione a temperatura e pressione ambiente mediante una nuova classe di membrane biporose anisotrope

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13564 (2022) Citare questo articolo

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I recenti progressi scientifici hanno fatto progressi nell’affrontare le questioni pertinenti al cambiamento climatico e alla sostenibilità del nostro ambiente naturale. Questo studio si avvale di un nuovo approccio alla desalinizzazione che è rispettoso dell’ambiente, naturalmente sostenibile ed efficiente dal punto di vista energetico, il che significa che è anche efficiente in termini di costi. L'evaporazione è un fenomeno chiave nell'ambiente naturale e utilizzato in molte applicazioni industriali, inclusa la desalinizzazione. Per una gocciolina liquida, la pressione del vapore cambia a causa dell'interfaccia curva liquido-vapore sulla superficie della gocciolina. La pressione del vapore sulla superficie convessa di un poro è, quindi, maggiore di quella su una superficie piana a causa dell'effetto capillare, e questo effetto aumenta al diminuire del raggio dei pori. Questo concetto ci ha ispirato a progettare una nuova membrana anisotropa biporosa per la distillazione a membrana (MD), che consente di desalinizzare l'acqua a temperatura e pressione ambiente applicando solo un piccolo gradiente di temperatura transmembrana. La nuova membrana è descritta come una membrana composita superidrofobica nanoporosa/microporosa. Una membrana realizzata in laboratorio con specifiche determinate dal modello teorico è stata preparata per la validazione del modello e testata per la desalinizzazione a diverse temperature di ingresso dell'alimentazione mediante contatto diretto MD. Un flusso di vapore acqueo pari a 39,94 ± 8,3 L m−2 h−1 è stato raggiunto dalla nuova membrana a bassa temperatura di alimentazione (25 °C, temperatura del permeato = 20 °C), mentre la membrana commerciale in PTFE, ampiamente utilizzata nella ricerca MD, aveva un flusso pari a zero nelle stesse condizioni operative. Inoltre, i flussi della membrana fabbricata erano molto più elevati rispetto alla membrana commerciale a varie temperature di alimentazione in ingresso.

Uno dei principali punti di contesa oggigiorno riguarda il consumo di energia e il suo effetto sul nostro ambiente naturale, soprattutto in termini di rilascio di grandi quantità di anidride carbonica e del suo impatto dannoso sul riscaldamento globale. Basandosi su una convinzione essenziale nella sostenibilità del nostro ambiente naturale combinata con la nostra conoscenza del comportamento del trasporto del vapore acqueo secondo l'equazione Kelvin, questa ricerca viene proposta come uno studio rivoluzionario nella tecnologia di desalinizzazione. La tecnologia avanzata qui promette di risolvere molti problemi che i paesi a basso reddito stanno attualmente affrontando in termini di alto costo dell’energia e dell’effetto disastroso che il consumo di energia ha sul processo apparentemente inarrestabile del cambiamento climatico.

La desalinizzazione è un termine generale utilizzato per i metodi che producono acqua dolce da acqua salata. Le attuali tecnologie di desalinizzazione sono ad alta intensità energetica poiché richiedono l'applicazione di una significativa forza motrice termica o di pressione. Fortunatamente, la richiesta termica di evaporazione nei processi a membrana come la distillazione a membrana (MD) e la pervaporazione è inferiore rispetto ai processi di distillazione tradizionali. Pertanto, MD è una tecnologia di separazione guidata dal calore che può potenzialmente utilizzare calore di bassa qualità per desalinizzare flussi altamente salini. Nella MD, guidate dal gradiente di pressione parziale attraverso una membrana microporosa idrofobica, le molecole di vapore acqueo si trasferiscono dall'alimentazione salina calda al permeato freddo, lasciando dietro di sé sali e sostanze non volatili1,2. Mantenere la membrana idrofobica è fondamentale nella MD perché consente un elevato rifiuto del sale impedendo all'acqua salata di alimentazione di fluire attraverso i pori della membrana nel lato permeato (prodotto acqua)3,4. MD ha recentemente attirato molta attenzione come tecnologia di desalinizzazione emergente, grazie alle sue eccellenti caratteristiche, come la bassa temperatura operativa, la bassa pressione operativa, l'elevata capacità di trattare salamoie ad alta salinità, l'elevata efficienza di rigetto e la capacità unica di utilizzare energia di bassa qualità fonti3,5.

Come accennato in precedenza, il processo MD si basa principalmente sull’evaporazione che consuma energia termica. Tuttavia, il calore viene perso anche per conduzione attraverso la membrana, diminuendo così l'efficienza complessiva del processo MD, soprattutto nella configurazione DCMD6. Pertanto, la fabbricazione di membrane mal progettate è spesso la ragione dell’elevato consumo energetico e del calo delle prestazioni MD7. Le membrane MD idealmente progettate per prestazioni elevate dovrebbero soddisfare i seguenti requisiti, ovvero bassa resistenza al trasferimento di vapore, spessore ridotto, bassa conduttività termica, elevata idrofobicità ed eccellente stabilità meccanica e durata8,9. La consapevolezza delle influenze accoppiate, e talvolta contrastanti, di molti parametri è cruciale nella progettazione di membrane MD ad alte prestazioni. Pertanto, tutti i criteri di cui sopra devono essere presi in considerazione contemporaneamente per sviluppare una membrana MD efficace. Ad esempio, sebbene si prevede che la membrana MD più sottile riduca la resistenza al trasferimento di massa, uno spessore ridotto spesso presenta proprietà meccaniche basse e aumenta le perdite di calore conduttivo, soprattutto nel caso di DCMD10. Pertanto, sono stati condotti molti studi teorici non solo per comprendere gli effetti dei parametri ma anche per ottimizzarli per ottenere le massime prestazioni MD possibili11,12.