Cos'è la nanofiltrazione?

Uno sviluppo relativamente recente nei processi a membrana, Ken Sutherland esamina il campo in rapida espansione della nanofiltrazione, le sue caratteristiche e le sue applicazioni.

Il background della nanofiltrazione

L'esplosione di attività di filtrazione e di filtrazione che seguì lo sviluppo del processo di inversione di fase per la produzione di membrane polimeriche, all'inizio degli anni '60, portò alla creazione di tre processi di separazione a membrana: osmosi inversa, ultrafiltrazione e, più recentemente, microfiltrazione. Questi processi hanno portato lo spettro di separazione dal tradizionale limite del punto di taglio della filtrazione standard di circa 0,01 mm (10 μm) ai solidi distinti più fini, di pochi nanometri di dimensione, e hanno consentito la separazione di grandi molecole dalla soluzione. Gli intervalli di dimensioni effettive variano leggermente da fonte a fonte, ma vi è accordo generale sul fatto che la microfiltrazione copre l'intervallo da 10 μm fino a 0,1 μm, mentre l'ultrafiltrazione copre da 0,1 μm fino a 0,005 μm (5 nm) in termini di particelle discrete o taglio del peso molecolare -Off (MWCO) cifre da 300.000 fino a circa 300 Dalton per i materiali disciolti. L'osmosi inversa, ovviamente, è stata progettata per trattenere la piccolissima molecola di cloruro di sodio, il che significava far passare nient'altro che acqua.

Questi intervalli di dimensioni previste in realtà lasciavano ancora un divario nella loro copertura all'estremità inferiore di quella per l'ultrafiltrazione (a circa 100-300 Dalton). Lo sviluppo della membrana è stato piuttosto rapido durante gli anni '70 e '80, portando a un processo di membrana "RO sciolto", a cui è stato dato il nome di "nanofiltrazione" alla fine degli anni '80.

In questo senso, quindi, la nanofiltrazione è uno sviluppo abbastanza recente nella gamma dei processi di separazione a membrana, che comprende l'estremità superiore (in termini di dimensioni di separazione) dell'osmosi inversa e l'estremità inferiore dell'ultrafiltrazione, coprendo valori MWCO compresi tra 100 e 1000. Dalton. Si tratta di materiali disciolti in un liquido e non di particelle distinte sospese nel liquido. La separazione tra soluto e solvente avviene per diffusione delle molecole del solvente attraverso la massa del materiale della membrana, guidata principalmente da un'elevata pressione transmembrana, e non attraverso alcun foro fisico (poro) nella membrana. Alcune molecole di soluto possono anche diffondersi attraverso la membrana, sia per intento del progettista del processo, sia perché il soluto ha un coefficiente di diffusione finito (anche se molto piccolo) nel materiale della membrana.

La differenza fondamentale tra la nanofiltrazione e l'osmosi inversa è che quest'ultima trattiene i sali monovalenti (come il cloruro di sodio), mentre la nanofiltrazione consente loro di passare e quindi trattiene i sali bivalenti come il solfato di sodio. Robert Peterson, nella sua Prefazione a Nanofiltrazione – principi e applicazioni di Elsevier, descrive l'osmosi inversa (specialmente nel settore del trattamento dell'acqua) come la portata principale, forse una bistecca, di un pasto, mentre la nanofiltrazione "è come la carta dei vini... un'opportunità per creatività ed esplorazione”.

I paragrafi precedenti hanno descritto le origini e la natura del processo generalmente accettato chiamato nanofiltrazione, che è una separazione in fase liquida che rimuove i solidi disciolti, effettuata mediante membrane, con una pressione transmembrana relativamente elevata. Tuttavia, il progresso di gran parte del settore della filtrazione è guidato dalla richiesta di punti di taglio sempre più fini, sia nella filtrazione di liquidi che di gas, e queste esigenze vengono ora soddisfatte mediante l’uso di fibre corrispondentemente più fini per realizzare i media filtranti. Queste fibre hanno sempre più spesso diametri inferiori a un micrometro e vengono quindi misurate in nanometri e stanno diventando comunemente note come nanofibre. Questi vengono utilizzati per realizzare media filtranti compositi, con una rete di nanofibre supportata su un substrato più grossolano.

La filtrazione molto fine che può essere ottenuta con questi media nanoweb sta portando il processo di separazione che è effettivamente una microfiltrazione a punti di taglio molto più bassi. I materiali vengono anche chiamati membrane, anche se hanno un formato molto diverso dal foglio di plastica semipermeabile ancora comunemente pensato quando si parla di membrane. È degno di nota che, al 10° Congresso mondiale sulla filtrazione (nel 2007), su un totale di quasi 250 documenti separati e 85 presentazioni di poster, ce n'erano 12 che riguardavano la nanofiltrazione e 14 riguardanti le nanofibre come mezzi filtranti.