Dissalatori a osmosi inversa: cosa sono e come funzionano

Il 98% dell’acqua presente sulla Terra è salata. Si trova nei mari e negli oceani, e a causa dell’elevata quantità di sali in essa disciolti non può essere utilizzata direttamente da noi Homo sapiens nelle industrie, in agricoltura o nei sistemi idrici che portano acqua potabile nella vita di tutti i giorni. Il restante 2% è composto da acqua dolce, la maggior parte della quale si trova stoccata nelle grandi calotte polari, nei ghiacciai e nel sottosuolo. A causa dei cambiamenti climatici e dell’inquinamento, inoltre, un quinto della popolazione mondiale si trova in questo momento a dover fare i conti con una ingente carenza di acqua potabile e le Nazioni Unite stimano che entro il 2030 il problema riguarderà circa il 40% degli abitanti del Pianeta [1].
Per questo motivo, in molte zone del mondo la dissalazione a osmosi inversa rappresenta un modo molto interessante per convertire l’acqua salata…in acqua dolce! Scopriamo insieme in che modo.

Cos’è la dissalazione a osmosi inversa e come funziona?

La scarsità di acqua dolce ha portato, negli ultimi 40 anni, allo sviluppo di tecnologie di dissalazione molto interessanti. Quella attualmente più utilizzata, per via della sua efficienza e della possibilità di contenimento dei costi [1], sfrutta il principio di osmosi inversa da cui prende il nome.

Momento, momento. Ricordiamo tutti cos’è l’osmosi? 

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L’utilizzo dei dissalatori a osmosi inversa in Europa e in Medio Oriente

L’osmosi è un processo fisico che interessa due liquidi (nel nostro caso l’acqua salata e dolce), aventi al loro interno concentrazioni di soluti diverse (nel nostro caso i sali), e messi a contatto tra loro attraverso una membrana semipermeabile, che lascia passare l’acqua ma non i sali. Quando questo accade, il liquido con minor concentrazione di soluti tenderà a muoversi spontaneamente verso il liquido con la maggiore concentrazione di soluti. L’acqua dolce si sposterà quindi verso l’acqua salata, fino al raggiungimento di un equilibrio tra le due soluzioni.

Nell’osmosi inversa accade il contrario. Il solvente a maggior concentrazione di soluti, nel nostro caso l’acqua salata, viene spinto attraverso la membrana semipermeabile fino a raggiungere il solvente a minor concentrazione di soluti. Non si tratta di un processo spontaneo e richiede energia per essere messo in pratica.

Nella dissalazione a osmosi inversa, dunque, si applica proprio quest’ultimo principio. L’acqua viene prelevata dal mare e riceve un primo trattamento che ne filtra le impurità più grossolane come le alghe, gli oli, le plastiche e le varie sostanze organiche. Dopodiché, posta a forti pressioni grazie all’impiego di potenti compressori, viene forzata attraverso una membrana semipermeabile che lascia passare solo l’acqua e funge da filtro per i sali in essa disciolti. Al termine di questo processo l’acqua desalinizzata viene successivamente sottoposta a step di remineralizzazione in apposite cisterne di miscelazione e poi è pronta per essere pompata nei sistemi idrici cittadini.

Quanta energia è richiesta per un metro cubo di acqua?

La quantità di energia necessaria per la dissalazione a osmosi inversa dipende innanzitutto dalla salinità dell’acqua in questione. Più sale ci sarà, più energia sarà necessaria e viceversa. L’energia minima richiesta per dissalare acque salmastre, con le migliori tecnologie al momento esistenti, è di circa 0.06 kWh per 1 m³ di acqua mentre per l’acqua salata, proveniente da mari e oceani, l’energia richiesta è maggiore e i valori gravitano tra 1.56 kWh e 4 kWh  per 1 m³ di acqua.

Quanto costa dissalare l’acqua?

I costi di dissalazione a osmosi inversa si attestano attorno a 1 dollaro/m³ [3]. In realtà, però, dipendono direttamente dal costo dell’energia in un dato momento e in un dato luogo. Questo perché lo scambiatore di pressione, che permette all’acqua salata di attraversare la membrana semipermanente, impiega una certa energia per funzionare. In Italia, nel momento in cui scriviamo questo articolo, desalinizzare l’acqua salata costa dai 2 ai 3 euro/m³ [9].
I costi, comunque, sono sempre contenuti rispetto a qualche decennio fa, grazie al progresso tecnologico che ha permesso di impiegare meno energia nei processi e di ottenere impianti di dissalazione più grandi, in grado di abbattere i costi di ottenimento dell’acqua dolce.
Secondo voi quanta acqua dolce utilizziamo in Italia? Nel 2017 abbiamo estratto ben 34 miliardi di m³ in totale. Di questi, circa 90 milioni di m³ provenivano dagli impianti di dissalazione, presenti prevalentemente sulle isole principali, lungo la costa tirrenica centro-settentrionale e sulla costa adriatica della Puglia [10].

La dissalazione produce scarti: cosa sono e come possono essere smaltiti?

Nel processo di dissalazione per osmosi inversa, oltre all’acqua dolce si ottiene un prodotto di scarto, una salamoia, che è data dalla percentuale di acqua salata che non passa attraverso la membrana semipermeabile, e che ha una concentrazione di sali molto elevata.

Le problematiche associate allo smaltimento di questo prodotto sono diverse e sempre più studiate: l’acqua potrebbe contenere metalli pesanti o molecole di sintesi, dovuti ad un parziale e lento rilascio da parte degli strumenti usati o dei prodotti impiegati per la pulizia degli impianti. Non solo. Diversi studi [7,8] hanno già dimostrato che l’eccesso di sale nell’acqua comporta una modifica dell’equilibrio idrosalino locale e ha un impatto negativo molto importante nei confronti di piante e animali. Nel Golfo Persico, dove gli impianti di dissalazione estraggono ogni giorno quasi 7 milioni di metri cubi di acqua dolce, ad esempio, gli scienziati hanno evidenziato un incremento significativo della salinità del mare dove, sempre ogni giorno, finiscono 2,75 x 10⁵ m³ di sale. Per risolvere questa situazione, alcuni degli impianti di dissalazione a osmosi inversa vengono oggi costruiti in zone dove questo materiale di scarto può essere rilasciato nei pressi di forti correnti marine o oceaniche, in modo da facilitare la miscelazione col resto dell’acqua.

Quando non è possibile, si utilizzano degli strumenti molto potenti in grado di spargere i residui salmastri, senza rischiare il loro accumulo in una zona troppo ristretta. Quello dello smaltimento degli scarti della dissalazione a osmosi inversa è un tema molto importante, perché nei prossimi anni sarà sempre più necessario reperire acqua dolce a partire da quella salata. Pensate che oggi i Paesi che ospitano impianti di dissalazione sono più di 150, e forniscono acqua dolce a circa 300 milioni di persone.

Piccola curiosità: ogni giorno, nel mondo, vengono prodotti più di 100 milioni/m³ di acqua dolce e circa 142 milioni/m³ di salamoia. [7] Negli ultimi anni sono nati diversi gruppi di studio che stanno cercando il modo per utilizzare, in maniera differente e circolare, un tale quantitativo di sali. Le filiere interessate sono diverse e vanno dal recupero dei metalli alla commercializzazione di sale, dall’impiego della salamoia negli allevamenti ittici fino al suo utilizzo nelle coltivazioni di specie alofile.

Bibliografia

1. Ewaoche John Okampo;Nnamdi Nwulu; (2021). Optimisation of renewable energy powered reverse osmosis desalination systems: A state-of-the-art review. Renewable and Sustainable Energy Reviews.
2. Yu Jie Lim;Kunli Goh;Masaru Kurihara;Rong Wang; (2021). Seawater desalination by reverse osmosis: Current development and future challenges in membrane fabrication – A review. Journal of Membrane Science.
3. Voutchkov, Nikolay (2017). Energy use for membrane seawater desalination – current status and trends. Desalination.
4. https://www.ilsole24ore.com/art/la-desalinizzazione-dell-acqua-l-energia-solare-e-piu-efficiente-grazie-vino-AD1znmv
5. https://www.activesustainability.com/water/water-desalination-process-by-reverse-osmosis/?_adin=02021864894
6. Elimelech, M.; Phillip, W. A. (2011). The Future of Seawater Desalination: Energy, Technology, and the Environment. , 333(6043), 712–717. 
7. Jones, Edward; Qadir, Manzoor; van Vliet, Michelle T.H.; Smakhtin, Vladimir; Kang, Seong-mu (2019). The state of desalination and brine production: A global outlook. Science of The Total Environment, 657(), 1343–1356. doi:10.1016/j.scitotenv.2018.12.076
8. Impact of Brine Discharge from Seawater Desalination Plants on Persian/Arabian Gulf Salinity | Journal of Environmental Research Communication, 2020.
9. https://www.energiamercato.it/acqua/dissalatori-acqua-potabile-sud-italia#:~:text=Il%20costo%20dell'acqua%20desalinizzata,dotarsi%20di%20impianti%20di%20desalinizzazione.
10. https://www.istat.it/it/files/2019/10/Utilizzo-e-qualit%C3%A0-della-risorsa-idrica-in-Italia.pdf