Tendenze tecnologiche nell'uso della filtrazione su membrana

Una quantità significativa di risorse viene destinata alla ricerca e allo sviluppo della tecnologia di filtrazione a membrana. Tuttavia, non è chiaro quanto gli obiettivi della ricerca siano in linea con la soluzione delle esigenze del settore. Sepideh Jankhah, Ph.D, P.Ing. esamina la storia, l'evoluzione e le tendenze della ricerca e sviluppo in questo settore.

Dal 2001, ogni anno una quantità significativa di risorse è stata destinata alla ricerca e allo sviluppo (R&S) della tecnologia di filtrazione a membrana. Tuttavia, non è chiaro quanto gli obiettivi della ricerca siano in linea con la soluzione delle esigenze del settore. Questo articolo esamina la storia e l'evoluzione delle applicazioni della tecnologia di filtrazione a membrana e indaga le tendenze di ricerca e sviluppo in quest'area sulla base della letteratura sottoposta a revisione paritaria. È interessante notare che sembra che le esigenze della ricerca e dell’industria stiano convergendo a un ritmo simile, anche se il partito principale varia a seconda dell’area di applicazione.

Storia della filtrazione su membrana

La tecnologia di filtrazione a membrana è ampiamente utilizzata in vari settori: trattamento dell'acqua e delle acque reflue, processi alimentari e delle bevande, applicazioni farmaceutiche e mediche, lavorazione chimica e altre applicazioni di separazione o purificazione industriale. La storia della separazione delle membrane risale agli inizi del 1700, quando la parola osmosi fu usata per la prima volta per descrivere la permeazione dell'acqua attraverso un diaframma.

La tecnologia di filtrazione si è evoluta dall'osmosi all'elettrodialisi, alla filtrazione del gas e alla distillazione a membrana, contribuendo all'invenzione e al miglioramento di innumerevoli prodotti, processi e applicazioni industriali. La filtrazione a membrana è ora comunemente utilizzata per concentrare succhi di frutta, rimuovere contaminanti dall’acqua e dalle acque reflue e raccogliere cellule per la produzione di antibiotici.

La tecnologia di filtrazione a membrana presenta numerosi vantaggi rispetto alle tecnologie di separazione convenzionali (ad esempio coagulazione e sedimentazione, filtrazione a sabbia, flottazione con aria disciolta, ecc.). Questi vantaggi includono una migliore qualità del prodotto, una maggiore capacità di separazione, un fattore di rischio inferiore, un ingombro ridotto e un utilizzo generalmente inferiore di prodotti chimici.

Si prevede che la domanda globale di membrane crescerà dell’8,5% annuo, raggiungendo i 26,3 miliardi di dollari nel 2019.2 Si prevede che il solo mercato statunitense crescerà del 7,9% annuo, raggiungendo i 6,2 miliardi di dollari nel 2018. La crescita potrebbe intensificarsi a causa della carenza idrica globale, delle linee guida sempre più rigorose per qualità dello scarico dell’acqua potabile e delle acque reflue, riduzione dei costi di produzione e funzionamento delle membrane e recenti progressi nella tecnologia delle membrane.

Principali applicazioni delle membrane

Il trattamento delle acque e delle acque reflue rappresenta oltre il 50% dell'utilizzo di membrane industriali, seguito dai processi alimentari e delle bevande (21%) e dalle applicazioni farmaceutiche e mediche (9%). Si prevede che nei prossimi cinque anni le applicazioni farmaceutiche e mediche diventeranno i mercati in più rapida crescita. Questa tendenza è guidata dall’aumento degli standard di purezza e dall’espansione delle applicazioni mediche per questa tecnologia. Si prevede che il trattamento delle acque (inclusa la desalinizzazione) e la lavorazione di alimenti e bevande manterranno una crescita costante.3

Le tendenze dei dati di ricerca e sviluppo sono state derivate dal numero di articoli di riviste sottoposte a revisione paritaria pubblicati tra il 2001 e il 2016 e ordinati per area di applicazione primaria, come estratto dal database Engineering Village. Durante l’ultimo decennio, le tendenze osservate nelle applicazioni della ricerca sono strettamente allineate con le applicazioni industriali. La ricerca e sviluppo nel settore dell'acqua e delle acque reflue rappresenta il 40%, seguita ancora dal settore alimentare e delle bevande con il 34%.

Per l'industria, l'accento è stato posto sullo sviluppo dei processi di separazione del gas e di desalinizzazione. Nel frattempo, la ricerca e sviluppo si è concentrata sull’ampliamento dei confini della tecnologia. Ulteriori risorse sono state stanziate per condurre ricerche su argomenti quali la distillazione a membrana, l'osmosi diretta, la pervaporazione, l'elettrodialisi, gli ossidi di grafene e le membrane biomimetiche per l'acqua e le acque reflue.

L'uso di queste tecnologie si è concentrato sullo sviluppo di nuovi prodotti o processi a membrana, nonché sull'ottimizzazione dei prodotti e dei processi a membrana esistenti in termini di prestazioni e costi operativi/capitali associati. Ci sono alcuni progressi in cantiere, ma la maggior parte sono ancora nelle fasi preliminari di sviluppo e richiedono ulteriori ricerche prima di imporsi sul mercato.