Tutti avevano torto sull'osmosi inversa, fino ad ora

Max G. Levy

Menachem Elimelech non ha mai fatto pace con l'osmosi inversa. Elimelech, che ha fondato il programma di ingegneria ambientale di Yale, è una sorta di rock star tra coloro che sviluppano sistemi di filtraggio che trasformano l'acqua di mare o le acque reflue in acqua potabile pulita. E l’osmosi inversa è una rock star tra le tecnologie di filtraggio: ha dominato il modo in cui il mondo desalinizza l’acqua di mare per circa un quarto di secolo. Eppure nessuno sapeva davvero come funzionasse. Ed Elimelech lo odiava.

Tuttavia, doveva insegnare la tecnologia ai suoi studenti. Per molti anni ha mostrato loro come stimare le alte pressioni che spingono le molecole d'acqua nell'acqua di mare attraverso una membrana di plastica in poliammide, creando acqua pura su un lato della pellicola e lasciando una salamoia extra-salata sull'altro. Ma questi calcoli si basavano su un presupposto che tormentava Elimelech e altri ingegneri: che le molecole d’acqua si diffondano individualmente attraverso la membrana. "Questo mi ha sempre infastidito. Non ha alcun senso", dice.

Potrebbe sembrare un'arcana questione di ingegneria, ma il problema di Elimelech con l'osmosi inversa si basa su un problema del mondo reale. Oltre 3 miliardi di persone vivono in aree dove l’acqua scarseggia. Entro il 2030, la domanda supererà l’offerta del 40%.

E trasformare l’acqua dei mari salati in qualcosa di potabile è sempre stato un processo ad alta intensità energetica. I vecchi impianti di desalinizzazione termica negli Stati del Golfo, dove l’energia è abbondante, distillano l’acqua di mare facendola bollire e catturandone il vapore. Una nuova generazione di impianti di desalinizzazione a osmosi inversa, che fanno passare l’acqua attraverso una serie di membrane di plastica, hanno ridotto leggermente la domanda di energia, ma non è sufficiente. Ci vuole ancora molta energia per spingere l’acqua attraverso filtri densi, quindi anche piccoli miglioramenti nella progettazione della membrana possono fare molto.

In uno studio pubblicato ad aprile, il team di Elimelech ha dimostrato che l'ipotesi, un tempo frustrante, su come l'acqua si muove attraverso una membrana è, in effetti, sbagliata. L'hanno sostituita con una teoria dell'"attrito della soluzione" secondo cui le molecole d'acqua viaggiano in grappoli attraverso piccoli pori transitori all'interno del polimero, che esercitano attrito su di loro mentre passano attraverso. La fisica dell’attrito è importante, perché comprenderla potrebbe aiutare le persone a progettare materiali o strutture a membrana che rendano la desalinizzazione più efficiente o più efficace nell’eliminare le sostanze chimiche indesiderate, afferma Elimelech.

Membrane più efficaci potrebbero anche migliorare i sistemi idrici comunali ed espandere la portata della desalinizzazione. "Questa è una di quelle scoperte più importanti", afferma Steve Duranceau, un ingegnere ambientale presso l'Università della Florida Centrale, che ha trascorso 15 anni a progettare impianti di desalinizzazione prima di diventare professore. "Ciò cambierà il modo in cui le persone iniziano a modellare e a interpretare come progettare questi sistemi."

Lauren Goode

Giuliano Chokkattu

Will Cavaliere

"Ce l'hanno fatta," concorda Eric Hoek, un ingegnere ambientale dell'UCLA che si è formato con Elimelech 20 anni fa ma non è stato coinvolto nello studio. "Finalmente qualcuno ha messo il chiodo nella bara."

Le radici della nuova idea dell’attrito della soluzione sono in realtà antiche. La matematica molecolare dietro di esso risale agli anni ’50 e ’60, quando i ricercatori israeliani Ora Kedem e Aharon Katzir-Kachalsky, e il ricercatore dell’UC Berkeley Kurt Samuel Spiegler, derivarono equazioni di desalinizzazione che consideravano l’attrito, ovvero come l’acqua, il sale e i pori nella membrana di plastica interagire tra loro.

L'attrito è resistenza. In questo caso, indica quanto è difficile per qualcosa attraversare la membrana. Se progetti una membrana che abbia meno resistenza all'acqua e più resistenza al sale o qualsiasi altra cosa tu voglia rimuovere, otterrai un prodotto più pulito con potenzialmente meno lavoro.

Ma quel modello venne accantonato nel 1965, quando un altro gruppo introdusse un modello più semplice. Questo presupponeva che il polimero plastico della membrana fosse denso e non avesse pori attraverso i quali potesse scorrere l'acqua. Inoltre, non riteneva che l'attrito avesse un ruolo. Si presumeva invece che le molecole d’acqua in una soluzione di acqua salata si dissolvessero nella plastica e si diffondessero dall’altra parte. Per questo motivo, questo è chiamato modello di “diffusione della soluzione”.