Mantenerlo pulito: gli ingegneri lavorano per far sì che le membrane di desalinizzazione rimangano incrostate

Di Anne Manning

Il laboratorio dell'assistente professore Tiezheng Tong sta lavorando per risolvere i problemi associati al ridimensionamento della membrana durante i processi di desalinizzazione. Da sinistra: studente laureato Yiming Yin; tenaglia; il ricercatore universitario Ronny Minjarez; e lo studente laureato Yiqun Yao, con il sistema di osmosi inversa del laboratorio.

L'acqua bollente può lasciare depositi minerali scuri sulla superficie interna del tuo bollitore in alluminio, un tempo lucido: niente che un po' di aceto e bicarbonato di sodio non possano rimuovere.

Ma in altri contesti, queste antiestetiche macchie minerali non sono solo un fastidio: sono un grave ostacolo alla nostra capacità di rendere disponibili miliardi di litri d’acqua in più a miliardi di persone.

La desalinizzazione dell'acqua, una tecnologia che estrae acqua pulita da fonti salate e sporche come l'acqua di mare, l'acqua salmastra interna o le acque reflue, sta diventando sempre più popolare in tutto il mondo, con oltre 18.000 impianti in funzione in tutto il mondo. Utilizza un principio fisico chiamato osmosi inversa, in cui l’acqua sporca viene spinta a pressioni molto elevate attraverso una membrana con pori troppo piccoli per essere visti, molte volte più piccoli della larghezza di un capello. L'acqua pulita viene separata da un sottoprodotto salato e il processo ricomincia da capo.

Le stesse incrostazioni minerali che si formano sul bollitore si formano in grandi quantità anche su queste membrane specializzate, ostruendo i pori delle membrane e diminuendo notevolmente l'efficienza dell'intero processo. Le membrane devono essere cambiate o pulite frequentemente, aumentando i costi e ostacolando la capacità delle tecnologie di desalinizzazione di svolgere un ruolo di primo piano nella lotta alle sfide della scarsità d’acqua in tutto il mondo.

Le incrostazioni minerali sulle superfici delle membrane nelle applicazioni di desalinizzazione sono un problema altamente tecnico che Tiezheng Tong, assistente professore presso il Dipartimento di ingegneria civile e ambientale della Colorado State University, ha trascorso gli ultimi anni cercando di risolvere.

Lui e i suoi studenti, lavorando in un laboratorio all’interno dello Scott Bioengineering Building, stanno eseguendo esperimenti e scoprendo intuizioni fondamentali sul perché tale incrostazione minerale avviene durante la desalinizzazione e quali meccanismi guidano la formazione di incrostazioni in diversi tipi di minerali. E mentre gli ingegneri si concentrano sulle soluzioni, sono anche impegnati a sviluppare nuovi modi per affrontare il problema, inventando diverse membrane o testando nuove soluzioni di additivi che renderebbero le membrane più resistenti alle incrostazioni senza sacrificare la qualità dell’acqua.

"Vogliamo che la nostra infrastruttura idrica sia resiliente ai cambiamenti climatici", ha affermato Tong, entrato a far parte della facoltà della CSU nel 2017 dopo una posizione post-dottorato presso l'Università di Yale sotto Menachem Elimelech, uno studioso eminente nel campo dell'ingegneria ambientale. "Se esauriamo le acque superficiali, abbiamo bisogno di un supporto per fornire abbastanza acqua alla società... se vogliamo raggiungere questo obiettivo, dobbiamo affrontare molte sfide, incluso il problema del ridimensionamento dei minerali. È un po' la nostra nicchia, dove siamo lavorando su questi processi di trattamento della salamoia ad altissima salinità. È probabilmente una delle parti più impegnative dell'estrazione dell'acqua da fonti non convenzionali."

Tong sta fornendo la competenza del suo laboratorio nella desalinizzazione e nella scienza delle membrane alla National Alliance for Water Innovation (NAWI), un'iniziativa da 110 milioni di dollari guidata dal Dipartimento dell'Energia che riunisce centinaia di scienziati per affrontare vari problemi associati alle attuali tecnologie di desalinizzazione. Il loro obiettivo è rendere le tecnologie di desalinizzazione paragonabili o addirittura più economiche rispetto all’estrazione di acqua dolce da fonti convenzionali colpite dalla siccità come laghi, fiumi e falde acquifere.

Attraverso la partnership NAWI, in cui i ricercatori della CSU hanno svolto un ruolo di primo piano, il laboratorio di Tong è stato recentemente finanziato insieme ai ricercatori della Vanderbilt University per supportare lo sviluppo di un metodo basato sull'elettrodialisi per il trattamento delle salamoie di desalinizzazione ipersalina.

Le sfide legate a rendere la desalinizzazione una scelta praticabile per i comuni e i paesi sono a più livelli: economiche, in termini di costruzione e manutenzione di impianti di desalinizzazione a osmosi inversa su larga scala, e ambientali, in quanto le salamoie ad alta salinità rimaste dai processi di trattamento delle acque introducono significative e dannoso inquinamento per gli ecosistemi acquatici.