L’elettrodialisi è un processo che alterna membrane permeabili rispettivamente a cationi e anioni; si tratta di membrane simili a quelle impiegate per l’osmosi inversa, costituite quindi da una matrice porosa su cui vengono “installati” gruppi attivi funzionali (GAF).
A differenza dell’osmosi inversa, tali GAF non sono caricati con ioni mobili ma hanno cariche fisse, fungendo così da barriera: le membrane cationiche, caricate negativamente, saranno permeabili ai cationi (respingendo quindi gli anioni) e viceversa le anioniche.
Utilizzando batterie di membrane cationiche ed anioniche alternate attraversate da un flusso di corrente (Fig. 1), si avrà che:
- i cationi tenderanno ad andare verso l’anodo, fino ad incontrare una membrana anionica che li blocca;
- gli anioni tenderanno ad andare verso il catodo finché verranno bloccati da una membrana cationica.
Fig. 1 – Schema semplificato del funzionamento di un modulo elettrodialisi
In questo modo, ovvero accostando batterie di membrane, si creano celle di concentrazione (scarti, detti concentrati) e celle di diluizione (acqua depurata, detta dialisato).
Gli elettrodi (anodo e catodo) vengono rivestiti, solitamente in platino, per resistere a forti corrosioni.
Caratteristiche membrane
Solitamente le membrane hanno le seguenti caratteristiche:
- anioniche – matrice polistirolica reticolata con GAF ammonico quaternario;
- cationiche – matrice acrilica con GAF solfinici o carbossilici.
Inoltre le membrane hanno in generale:
- elevata conducibilità elettrica, quindi grande capacità di essere attraversate da corrente;
- buona selettività, cioè buona capacità di essere attraversata solo dagli ioni “giusti”.
Leggi fisiche
Le leggi dell’elettrotecnica alla base del dimensionamento del processo sono:
- Legge di Faraday ->
Con:
I= intensità di corrente applicata (A)
F= costante di Faraday (96.500 A s/geq)
N0= normalità soluzione salina in ingresso (geq/L)
ND= normalità soluzione salina in uscita (geq/L)
QD= portata di dialisato (L/s)
nT=numero coppie di celle (deionizzazione+concentrazione)
kE=efficienza elettrica del sistemaNota kE e fissata la concentrazione di uscita ND, è possibile quindi ricavare i parametri progettuali. - Legge di Ohm -> V=RI riferendo le grandezze rispetto all’unità di superficie ed esplicitando i termini ->
Con:
ρ= resistività celle, rispettivamente Concentrazione, Dissalazione, Membrana Anionica, Membrana Cationica (Ω/m)
s= spessore celle, rispettivamente Concentrazione, Dissalazione, Membrana Anionica, Membrana Cationica (m)
S= superficie (m2)
N= numero celle
Per la resistenza specifica si adotta la media dei valori per le membrane anioniche e cationiche e si media ulteriormente per considerare la variazione con la concentrazione.
Pretrattamenti
Come in tutti i processi a membrane, i problemi comuni sono di seguito riportati (Fig. 2).
Fig. 2 – Sintesi dei principali problemi comuni ai sistemi a membrana
Infatti, al crescere di TDS in ingresso, aumentano sensibilmente i consumi elettrici (Fig. 3), oltre a rendersi necessaria una manutenzione più frequente.
Fig. 3 – Andamento dei consumi energetici al variare della salinità, con confronto su diversi sistemi a membrana
Occorre quindi pretrattare l’acqua in ingresso fino a renderla relativamente limpida:
- priva di idrocarburi;
- TOC ∼0 mg/L;
- Fe<0,3 mg/L;
- bassa durezza (evito rischio intasamenti);
- salinità non eccessiva.
Ricircolo
Il maggiore limite dell’elettrodialisi è il fattore di recupero FR, ovvero il rapporto tra la portata depurata e quella in ingresso; per aumentare FR si impiegano moduli con ricircolo del concentrato a monte (Fig. 4-5).
Fig. 4 – Schema funzionale di un impianto elettrodialisi con ricircolo
Fig. 5 – Schema di un modulo elettrodialisi con ricircolo
In questo modo si possono ottenere FR paragonabili a quelli dell’osmosi inversa su acque salmastre; d’altro canto aumenteranno inevitabilmente i consumi elettrici e le concentrazioni di scarto.
A tal proposito si evidenzia che, come in tutti i processi a membrana o a scambio ionico, si hanno grandi quantità di concentrati da smaltire. Con un processo di elettrodialisi semplice può essere possibile immettere gli scarti direttamente in fognatura prima di un depuratore; con lo schema a ricircolo questo non è più possibile perché le concentrazioni di scarto saranno più spinte, rendendone più onerosa la gestione.
Risultati ottenibili
Il campo di applicazione prevalente dell’elettrodialisi è la rimozione di ioni specifici (es nitrati), mentre con il sistema a ricircolo è possibile effettuare una dissalazione di acque salmastre.
Di seguito si riassumono i valori ottenibili (Tab. 1). Occorre precisare che con gradi di accumulo particolarmente spinti nelle celle di concentrazione, si possono avere effetti controproducenti sulla qualità finale del processo.
|
Influente (mg/l) |
Dialisato (mg/l) |
Rimozione (%) |
|
|
Cationi
|
130 |
40 |
69 |
|
Anioni
|
366 |
40 |
89 |
|
TDS |
1.156 |
590 |
49 |
Combinazioni
Per ottimizzare i processi, è conveniente accoppiare impianti di elettrodialisi con:
resine a scambio ionico –> ovvero si riempiono le celle di concentrazione con resine forti anioniche e cationiche (come in un letto misto) rigenerate automaticamente in continuo.
osmosi inversa –> in pratica si pone l’elettrodialisi a valle di un sistema RO con ricircolo, in modo da fare lavorare ED con acqua molto diluita (condizione ottimale – Fig. 6)
Fig. 6 – Schema di dissalazione accoppiato: l’elettrodialisi opera sul permeato dell’osmosi inversa.
Come è possibile osservare dalla figura precedente, la configurazione impiantistica prevede l’ausilio di pompe, manometri, valvole, riduttori di pressione. ASV Stubbe è in grado di fornire accessori in plastica, resistenti alle corrosioni tipiche degli ambienti di dissalazione.
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