Acqua dal Calore: La Rivoluzione Liquida della Dissalazione Senza Membrane!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che mi sta davvero appassionando e che potrebbe cambiare le carte in tavola per uno dei problemi più grandi del nostro pianeta: la scarsità d’acqua dolce. Sappiamo tutti quanto sia cruciale avere accesso all’acqua potabile, e con i cambiamenti climatici che peggiorano la situazione, trovare modi efficienti ed ecologici per dissalare l’acqua marina o trattare le acque reflue industriali è diventato fondamentale.

Finora, le tecnologie principali come l’osmosi inversa (RO) o la distillazione termica hanno fatto un gran lavoro, ma non sono prive di difetti. L’osmosi inversa, pur essendo efficiente, richiede membrane costose che si degradano e intasano, oltre a un’enorme quantità di energia elettrica. I metodi termici tradizionali, che fanno evaporare l’acqua, consumano ancora più energia, corrodono i materiali e lasciano dietro di sé incrostazioni saline difficili da gestire. E poi c’è il problema della salamoia: quel concentrato salino di scarto che viene riversato in mare, con impatti ambientali non trascurabili.

Una Nuova Speranza: La Termodiffusione

E se vi dicessi che esiste un modo per dissalare l’acqua che non richiede membrane, non implica cambi di fase (niente evaporazione o congelamento) e funziona interamente in fase liquida, usando solo un po’ di calore moderato (tra i 30 e i 70°C)? Sembra quasi troppo bello per essere vero, ma è proprio qui che entra in gioco la termodiffusione.

Questo fenomeno, noto anche come effetto Soret, è una sorta di “magia” naturale: applicando un gradiente di temperatura a una soluzione (cioè una zona calda e una zona fredda), i soluti (come i sali nell’acqua) tendono a migrare. A seconda delle sostanze, possono spostarsi verso il freddo (termofobici) o verso il caldo (termofilici). Nel caso dei sali comuni nell’acqua di mare, sono prevalentemente termofobici alle temperature che ci interessano, quindi tendono ad accumularsi nella zona più fredda.

Il problema? L’effetto è generalmente molto piccolo. Creare una differenza di concentrazione significativa in questo modo è difficile e il processo è molto sensibile a disturbi come la convezione (il rimescolamento del fluido). Per questo, la termodiffusione non è mai stata considerata seriamente per applicazioni su larga scala come la dissalazione… fino ad ora.

L’Arma Segreta: La Cascata di Burgers Liquida (LBC)

Qui entra in scena l’idea geniale che abbiamo iniziato a esplorare e che ora abbiamo dimostrato funzionare sperimentalmente: la Cascata di Burgers Liquida (LBC). Immaginate non un singolo canale dove avviene la separazione, ma una struttura complessa multicanale, una sorta di labirinto intelligente progettato per amplificare esponenzialmente quella piccola separazione iniziale ottenuta per termodiffusione.

In pratica, l’acqua salata entra in questo dispositivo. In ogni piccolo canale, si stabilisce un gradiente di temperatura verticale (caldo sopra, freddo sotto). Il flusso viene poi diviso a metà: la parte superiore, meno salata, viene mandata in una direzione (diciamo, a destra), mentre la parte inferiore, più concentrata, va nella direzione opposta (a sinistra). Questi flussi si ricombinano poi con quelli provenienti dai canali adiacenti, entrando in una nuova serie di canali. Ripetendo questo processo per molte “righe” e “colonne” di canali, la differenza di concentrazione tra l’estrema destra (acqua più pura) e l’estrema sinistra (salamoia più concentrata) diventa sempre più grande.

Prima del nostro lavoro, la Cascata di Burgers era stata dimostrata solo per separare gas. C’erano dubbi sulla sua applicabilità ai liquidi (dove la diffusione è molto più lenta) e su come si sarebbe comportata con una miscela complessa come l’acqua di mare, che non è solo NaCl ma un cocktail di vari ioni (Sodio, Magnesio, Potassio, Calcio, Cloruri, Solfati…).

La Prova del Nove: Esperimenti con Acqua di Mare Vera!

Ebbene, abbiamo costruito un prototipo di LBC in laboratorio, usando un design composito intelligente (alluminio per condurre bene il calore dove serve, plastica isolante per non sprecarlo altrove) e l’abbiamo testato. E non con acqua salata artificiale, ma con vera acqua di mare prelevata dalla costa australiana e anche con la sua versione concentrata (salamoia).

I risultati sono stati entusiasmanti!

• Funziona! Abbiamo dimostrato per la prima volta che la LBC opera efficacemente con i liquidi, amplificando la separazione termodiffusiva.
• L’acqua di mare si separa bene: Anzi, abbiamo confermato (come sospettavamo da simulazioni precedenti) che la separazione termodiffusiva dell’acqua di mare è persino più forte di quella di una semplice soluzione di acqua e sale (NaCl). Sembra che tutti gli ioni principali si muovano “in gruppo”, e forse gli ioni bivalenti come il Calcio (Ca2+) e il Magnesio (Mg2+) danno una spinta extra.
• I modelli teorici reggono: I risultati sperimentali si sono accordati molto bene con le nostre simulazioni al computer (una volta tenuto conto di un piccolo imprevisto costruttivo – un residuo di colla epossidica!). Questo ci dà grande fiducia nel poter progettare sistemi LBC su larga scala.
• Più efficiente per concentrare: Abbiamo notato che la LBC sembra essere intrinsecamente un po’ più efficace nel concentrare la salamoia (TDS – Thermodiffusive Salination) piuttosto che nel produrre acqua dolcissima (TDD – Thermodiffusive Desalination). Questo è logico, perché l’effetto Soret dipende dalla concentrazione: più è alta, più spinge.

Ottimizzazione Spinta: Come Farla Andare 40 Volte Meglio!

Avere la prova che funziona è fantastico, ma per renderla una tecnologia pratica, dobbiamo spremerla al massimo. E qui abbiamo scoperto delle strategie davvero potenti per migliorare le prestazioni della LBC, sia in termini di quantità d’acqua trattata (portata) che di efficienza energetica.

Abbiamo capito che non serve aspettare che la separazione in ogni singolo canale sia “completa”. Accettando una separazione parziale (diciamo al 78% del massimo teorico, il nostro `RC` ottimale) e usando quindi più canali in serie, possiamo aumentare la portata complessiva di quasi 2.5 volte!

Poi, abbiamo giocato con il profilo di temperatura. Invece di un gradiente lineare dal caldo al freddo, abbiamo simulato cosa succede creando delle zone a temperatura quasi costante vicino alle pareti calde e fredde (modificando leggermente la forma delle pareti conduttive, una sorta di profilo a “U” simmetrico). Questo trucco sposta le zone di massima e minima concentrazione dove il fluido si muove più velocemente, lontano dalle pareti dove la velocità è zero. Risultato? Con un profilo ottimizzato (`RT` circa 60%), la portata aumenta ancora di 2.6 volte e l’efficienza energetica (acqua trattata per unità di calore) migliora di circa 1.6 volte rispetto al profilo lineare.

Abbiamo anche visto che il “tasso di recupero” ottimale (`Rw`, la percentuale di acqua in ingresso che esce come prodotto desiderato) è diverso a seconda dello scopo: per la dissalazione (TDD) è meglio puntare a un 50-60%, mentre per concentrare la salamoia (TDS) è più efficiente un 20-30%.

Infine, abbiamo notato che in una LBC grande, ci sono zone centrali dove avviene poco o nulla in termini di separazione netta, perché i flussi che si mescolano hanno concentrazioni simili. Perché sprecare calore lì? Abbiamo simulato l’effetto di isolare termicamente queste zone (usando materiali a bassa conducibilità per le pareti superiore e inferiore in quelle aree). Possiamo isolare fino al 20-50% dell’area totale (a seconda dell’applicazione TDD o TDS) con un impatto minimo sulla separazione finale, risparmiando un bel po’ di energia!

Mettendo insieme tutti questi miglioramenti (separazione parziale, profilo termico ottimizzato, recupero ottimale, isolamento parziale, e tenendo conto della migliore separazione dell’acqua di mare), le prestazioni complessive della LBC, sia in termini di portata che di efficienza, possono aumentare di circa 40 volte rispetto a una stima iniziale basata su un approccio semplice! Questo porta la portata potenziale da un modesto 1 litro per metro quadro al giorno a valori competitivi con altre tecnologie emergenti (intorno ai 10 l/m²/giorno e oltre).

Il Futuro è Liquido (e Caldo): TDS e Oltre

Analizzando il consumo energetico specifico (SEC), vediamo che la TDD (dissalazione) con LBC diventa competitiva con altri metodi termici a singolo stadio (senza recupero di calore) soprattutto quando si trattano acque già abbastanza concentrate e non si punta a riduzioni estreme di salinità.

Ma è nella concentrazione della salamoia (TDS) che questa tecnologia brilla davvero. È energeticamente più vantaggiosa dell’evaporazione per un’ampia gamma di concentrazioni iniziali (fino a circa 150.000 ppm, o anche oltre fino alla saturazione per concentrazioni iniziali maggiori). Questo è importantissimo! L’industria della dissalazione e quella petrolifera (OeG) producono enormi volumi di salamoie iper-saline (anche fino a 400.000 ppm!) che sono difficili e costose da trattare con metodi convenzionali, i quali spesso soffrono a concentrazioni così alte o richiedono materiali anti-corrosione costosissimi. La TDS via LBC, essendo tutta liquida, senza membrane e senza chimici aggressivi, offre un’alternativa potenzialmente più economica e molto più amica dell’ambiente, aprendo la strada verso il “Zero Liquid Discharge” (ZLD), cioè il recupero completo dell’acqua e dei sali senza scarichi liquidi.

E non è finita. L’efficienza energetica della LBC migliora con l’aumentare della differenza di temperatura (ΔT). Il limite a pressione atmosferica è dato dal punto di ebollizione dell’acqua (circa 100°C). Ma se operassimo a pressioni più elevate (ad esempio 15 bar), potremmo usare temperature maggiori senza bollire, aumentando il ΔT e rendendo la TDS energeticamente superiore ai metodi termici convenzionali in quasi tutti gli scenari di trattamento della salamoia! Certo, lavorare in pressione aggiunge complessità, ma il potenziale è enorme.

In Conclusione

Quello che abbiamo dimostrato è più di un semplice esperimento riuscito. È la prova concreta che un meccanismo fisico affascinante come la termodiffusione, se ingegnerizzato nel modo giusto con la Cascata di Burgers Liquida, può diventare uno strumento potente per affrontare la crisi idrica. Una tecnologia tutta liquida, senza membrane, robusta, particolarmente adatta alle alte salinità e con un potenziale di ottimizzazione incredibile. Siamo solo all’inizio, ma la strada verso un trattamento dell’acqua più efficiente e sostenibile, specialmente per le problematiche salamoie, sembra un po’ più chiara… e decisamente liquida!

Fonte: Springer Nature