Riassunto Processi a membrana

Applicazioni della microfiltrazione

• Filtrazione sterile di farmaci e principi attivi

• Sterilizzazione di vino, birra, latte ed altre bevande

• Produzione di acqua pura per l'industria elettronica

• Produzione di acqua potabile

Ultrafiltrazione UFL

L'ultrafiltrazione usa membrane con porosità da 10 a 1000 Å per separare solventi, acqua e microsoluti bloccando solidi sospesi, macromolecole e colloidi. Sono membrane di natura sintetica ottenute inizialmente a partire dalla nitrocellulosa, non sono state utilizzate se non per scopi laboratoriali fino agli anni 60, in seguito dopo l'introduzione delle membrane asimmetriche (maggiore resistenza) hanno avuto largo impiego grazie alla possibilità di essere interfacciate con flussi industriali. Negli anni 70 sono stati utilizzati questi filtri, ad esempio per recuperare vernice nell'industria delle automobili, poi sono stati utilizzati per la filtrazione del siero del latte e via via gli

usisono diventati molteplici.Il problema principale è che sono membrane fortemente colpite dal fouling.Le membrane da ultrafiltrazione sono solitamente anisotrope realizzate con il processo Loeb- Sourirajan,presentano uno strato superficiale poroso posto su di un substrato microporoso con porosità maggiore checonferisce stabilità meccanica, si caratterizzano sulla base del cut-off molecolare, cioè un fattore cheindica il peso molecolare delle proteine globulari che sono al 90% respinte dalla membrana. Nel caso in cuisi usino molecole lineari per valutare il cut off, esso sarà molto più basso rispetto alle proteine.Il sistema di UF è il seguente: presenta una fonte di pressione, solitamente unabombola ad azoto che spinge verso l'alto la soluzionepresente nel reservoir (si possono usare anche pompeperistaltiche ma costa di più) che poi arriva allamembrana filtrante posta in un portafiltro chiusodotato di agitazione per

limitare il fouling e in seguito avviene la raccolta del filtrato. Un altro fattore che influenza fortemente l'UF è la polarizzazione di concentrazione che causa il fouling tramite la deposizione di retentati colloidali e macromolecole sulla superficie della membrana. Il fouling della membrana si crea anche all'interno dei pori stessi, quindi si ricorre spesso ai trattamenti di pulizia oppure si lavora variando i parametri operazionali per fare in modo che il materiale della membrana non crei adesione col filtrato o adsorbimento. Il fouling superficiale può essere gestito ma quello nelle porosità è più difficile da trattare ed è quasi irreversibile. Non sempre usare cut-off più grandi riduce il fouling, anzi, spesso vale il contrario. La formazione di un layer di gel colloidali sulla superficie crea un plateau del flusso di permeato che si ottiene che non può essere variato variando i parametri operazionali. Infatti, se si forma

L'aumento di pressione applicata non aumenta il flusso ma solo lo spessore del layer di gel. Maggiore è la concentrazione della soluzione filtrata, prima si raggiunge il plateau per innalzamento della pressione perché il fouling avviene prima per formazione più facile di gel colloidale sulle superfici della membrana.

Agitazioni diverse applicate a concentrazioni di feed crescente diverse portano sempre alla formazione di un gelo ad una data concentrazione di soluzione detta concentrazione di gelo.

Membrane diverse che interagiscono con la stessa soluzione di alimentazioni formano flussi di tipo diverso.

La diminuzione di adesione tra il gel e la superficie della membrana permette alla soluzione di alimentazione che permea di rimuovere più facilmente le particelle superficiali di gel.

A causa dell'influenza del gel sulla selettività della membrana, le membrane da UF non sono utilizzate molto per le miscele contenenti macromolecole, vengono più che.

Le membrane di ultrafiltrazione vengono utilizzate per processi in cui la membrana rigetta completamente tutte le sostanze presenti nel feed mentre lascia passare completamente acqua e microsoluti disciolti. In alcuni casi vengono utilizzate per frazionare macromolecole.

La vita di queste membrane è molto più breve di quella delle membrane per osmosi inversa, di solito non è più lunga di 2-3 anni.

Sono membrane che richiedono alti costi per la presenza delle pompe, mentre i costi operativi sono principalmente influenzati dal costo della membrana, quelli associati all'energia invece sono bassi.

Inizialmente si pensava di utilizzare l'UF per le acque reflue industriali, ma è troppo costosa per essere utilizzata per questa applicazione perché le acque reflue sono troppo concentrate e darebbe velocemente fouling. Si usa, invece, per trattare piccoli flussi di rifiuti concentrati oppure per quelle componenti che, se separate adeguatamente, presentano un valore che compensa il costo del processo.

Un esempio nell'industria alimentare è l'utilizzo per i succhi di frutta (si separa il cuore e poi si rislb per avere minori costi di trasporto) per i formaggi (le acque reflue danno alto BOD, quindi ne si separano le componenti residuali che hanno alto valore aggiunto e danno acque purificate - dal latte coagulato si ottengono sieri e poi tramite UF ottengo proteine concentrate, rimozione di lattosio e Sali, evaporando sarebbe più costoso), per la verniciatura delle auto o per le emulsioni H2O/olio usate per lubrificare e raffreddare (avviene per elettrodeposizione ma da acqua inquinata, quindi si separa la vernice rimasta per recuperarla e dare acqua pura in processo continuo) e per il vino (per chiarificare e per rimuovere sostanze solide o proteine che danno opacità). In tutti questi casi ottengo liquidi sterili privi di batteri e virus.

Osmosi inversa

L'osmosi inversa prevede l'utilizzo di una membrana semipermeabile che blocca solidi

sospesi, macromolecole e Sali e lascia permeare solamente l'acqua. L'osmosi permette il passaggio d'acqua attraverso una membrana semipermeabile da una soluzione a bassa concentrazione (maggiore potenziale chimico) ad una maggiore concentrazione (minore potenziale chimico) per avere la stessa pressione osmotica sulle pareti. La pressione osmotica è una differenza di pressione dovuta all'innalzamento di livello dell'acqua, la pressione osmotica è uguale alla pressione di membrana il livello non varia più e avviene solo uno scambio a livello microscopico senza dare più variazioni macroscopiche. L'osmosi inversa avviene se si applica un aumento di pressione dalla parte in cui è presente un maggior livello d'acqua, quindi si spinge il sistema ad invertire il flusso di membrana facendo passare l'acqua dalla soluzione più concentrata a quella più diluita. La pressione applicata deve essere di decine di

atmosfere(>>>UF e MF) e la P richiesta aumenta all'aumentare della concentrazione salina della soluzione, la membrana quindi deve essere molto resistente e sono necessarie pompe e sistemi operativi di maggiore qualità rispetto alle precedenti filtrazioni.

Si usa principalmente nella desalinazione delle acque, i primi studi sull'osmosi inversa utilizzavano membrane ceramiche e sono relativi agli anni 1850, nel 1931 è stato sviluppato il primo processo associato alla rimozione di Sali dall'acqua, anche in questo caso la scoperta che l'ha resa utilizzabile su grandi flussi è stato lo sviluppo della membrana anisotropa (asimmetriche) ad acetato di cellulosa di Loeb-Sourirajan.

Un accorgimento particolare è legato al fatto che c'è continua aggiunta e continua rimozione di acqua concentrata in quanto all'aumentare della concentrazione aumenta anche la pressione che si deve applicare, cambiando l'acqua si mantiene

costante laconcentrazione salina quindi la pressione rimanecostante nel tempo e così la filtrazione.
Attualmente si usano membrane composite e asimmetriche e circa 3-4 miliardi di L al giorno di acquavengono ottenuti per osmosi inversa, metà viene prodotta in USA, EU e Giappone per produrre acquaultrapura a scopi industriali, metà in medio oriente per produrre acqua potabile.
La pressione osmotica si trova dalla seguente equazione:
in cui T è la temperatura dell’acqua in gradi centigradi e M è laconcentrazione molare dei singoli ioni.
Quindi la pressione osmotica è direttamente proporzionale alla concentrazione del sale ma varia per tipo disale e di ioni liberati in soluzione.
Il flusso d’acqua dipende dalla pressione e dal gradiente di concentrazione presente tra le due facce dellamembrana come:

dove A è una costante, p la pressione applicata e π la p osmotica.

→Se p < π l’acqua va dalla slz diluita a quellaconcentrata osmosi classica Se p = π non c'è flusso nella membrana → Se p > π l'acqua va dalla soluzione più concentrata a quella meno osmosi inversa Il flusso di sale attraverso la membrana si può descrivere come: dove B è la costante di permeabilità del sale, cjo è la concentrazione del sale nel feed e cji è la concentrazione del sale nel permeato, quest'ultima è di solito più piccola quindi si può dire che: Quindi considerando le equazioni dei due flussi si può dire che il flusso d'acqua è proporzionale alla P applicata, mentre quello del sale è indipendente dalla pressione, quindi la membrana è più selettiva al crescere della pressione. I limiti principali sono legati alle pompe che innalzano la pressione e ai limiti dati dalle resistenze meccaniche delle membrane. La selettività viene misurata come coefficiente di ritenzione del sale, che è

La concentrazione di sale nel permeato si può trovare come in cui è presente la densità dell'acqua. Combinando le due equazioni si può esprimere la ritenzione della membrana come Maggiore è la temperatura e maggiore è il flusso di acqua che passa attraverso la membrana ma diminuisce la selettività, in quanto la temperatura influenza anche il flusso di sale e quindi il coefficiente di ritenzione del sale. >T> flusso d'acqua< selettività

Membrane per osmosi inversa:

• Acetato di cellulosa > % gruppi acetilici< flusso d'acqua> flusso di sale
• Arammidi e polisulfone solfonato
• Composite interfacciali

Scoperte da Cadotte, presentano un alto flusso di acqua e una maggiore ritenzione dei sali rispetto alle membrane cellulosiche. Inoltre maggiore è la temperatura, maggiore è la selettività. La ritenzione di soluti organici a basso peso molecolare è molto migliore rispetto alle membrane cellulosiche.

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