Membrane Super-Potenti: La Mia Ricetta (Quasi) Segreta per Desalinizzare l’Acqua!

Ciao a tutti! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante, nel cuore di una tecnologia che potrebbe davvero cambiare le carte in tavola per l’accesso all’acqua potabile: la desalinizzazione ad osmosi inversa (RO). E più precisamente, voglio parlarvi delle vere star di questo processo: le membrane composite a film sottile (TFC) in poliammide. Sembra un nome complicato, vero? Ma fidatevi, sono più interessanti di quanto sembri!

Perché queste membrane sono così speciali?

Immaginate un filtro super-selettivo, talmente fine da lasciar passare solo le molecole d’acqua, bloccando quasi tutto il resto, specialmente i sali disciolti. Ecco, le membrane TFC fanno proprio questo! Sono il cuore pulsante degli impianti di desalinizzazione moderni, perché offrono un mix incredibile di alta selettività (cioè bloccano bene i sali) e permeabilità (cioè fanno passare l’acqua abbastanza velocemente).

Nel nostro lavoro, ci siamo concentrati proprio su come “cucinare” queste membrane in modo ancora più efficiente. Abbiamo usato come base dei supporti in polisulfone (un materiale robusto e poroso) e abbiamo applicato sopra il sottilissimo strato attivo di poliammide usando una tecnica chiamata polimerizzazione interfasciale (IP). Pensatela come creare una pellicola ultra-sottile proprio all’interfaccia tra due liquidi che non si mescolano, un po’ come l’olio e l’acqua. Per farlo, abbiamo usato due “ingredienti” chimici fondamentali: la m-fenilendiammina (MPD) in acqua e il cloruro di trimesoile (TMC) in un solvente organico (n-esano, nel nostro caso).

La nostra “ricetta” sperimentale

La vera sfida, e il bello della ricerca, è capire come i dettagli della preparazione influenzino il risultato finale. Non basta mescolare gli ingredienti a caso! Noi abbiamo agito come dei veri e propri “chef molecolari”, variando sistematicamente alcuni parametri chiave:

• La concentrazione di MPD nell’acqua.
• La concentrazione di TMC nel solvente organico.
• Il tempo per cui il supporto restava immerso nella soluzione di MPD.
• Il tempo per cui poi veniva immerso nella soluzione di TMC (il tempo di reazione vero e proprio).

L’idea era capire l’impatto di ogni piccola variazione sulle proprietà finali della membrana. Abbiamo usato una tecnica chiamata inversione di fase per creare prima il supporto poroso di polisulfone, un metodo che ci permette un controllo preciso sulla struttura.

Come abbiamo “letto” le nostre membrane?

Una volta create le diverse membrane, dovevamo capire cosa avevamo ottenuto. Come si fa? Con strumenti scientifici potenti!

• Idrofilicità: Abbiamo misurato l’angolo di contatto. In pratica, si deposita una goccia d’acqua sulla superficie e si misura l’angolo che forma. Un angolo piccolo significa che la membrana “ama” l’acqua (è idrofila), un angolo grande che la “respinge” (è idrofoba). L’idrofilicità è importante perché spesso membrane più idrofile si sporcano meno (fenomeno del fouling) e fanno passare meglio l’acqua.
• Morfologia: Con la microscopia elettronica a scansione (SEM), abbiamo ottenuto immagini ad altissimo ingrandimento della superficie e della sezione trasversale delle membrane. È come avere una mappa super-dettagliata della loro struttura, per vedere i pori, la rugosità, lo spessore dello strato attivo.
• Struttura chimica: La spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) ci ha permesso di “vedere” i legami chimici presenti sulla superficie, confermando che la reazione tra MPD e TMC era avvenuta correttamente e si era formato il nostro strato di poliammide con i suoi gruppi funzionali caratteristici (come i gruppi ammidici -CONH-).

E alla prova dei fatti? Funzionano?

Ovviamente, la parte più emozionante è stata testare le prestazioni delle nostre membrane! Abbiamo usato un sistema di filtrazione tangenziale (cross-flow), che simula le condizioni operative reali. Abbiamo pompato acqua salata (con una concentrazione di 10.000 ppm di NaCl, simile all’acqua salmastra) a una pressione controllata (circa 50 bar, o 725 psi) attraverso le membrane e abbiamo misurato due parametri fondamentali:

• Flusso d’acqua (Water Flux): Quanti litri d’acqua passano attraverso un metro quadrato di membrana in un’ora (L/m²h). Più alto è, meglio è (in genere).
• Reiezione salina (Salt Rejection): La percentuale di sale che la membrana riesce a bloccare. Un valore vicino al 100% è l’obiettivo.

I risultati che ci hanno entusiasmato!

E qui viene il bello! Abbiamo visto chiaramente che cambiare le concentrazioni di MPD e TMC e i tempi di immersione aveva un impatto significativo.
Ad esempio, abbiamo notato che aumentando la concentrazione di MPD, l’angolo di contatto tendeva ad aumentare leggermente (la membrana diventava un po’ meno idrofila). Questo perché, probabilmente, si formava uno strato di poliammide più reticolato (cross-linked), con meno gruppi acidi liberi (-COOH) che invece contribuiscono all’idrofilicità.

Le immagini SEM hanno confermato che tutte le membrane avevano la tipica struttura asimmetrica: uno strato superiore denso (quello attivo, di poliammide) e uno strato di supporto poroso (il polisulfone) con strutture a “dita” (finger-like) e macrovuoti, fondamentali per far arrivare l’acqua allo strato attivo senza troppa resistenza. La superficie dello strato attivo mostrava quella caratteristica morfologia a “creste e valli” (ridge-and-valley) che è tipica delle membrane TFC ad alte prestazioni, sovrapposta a una struttura globulare densa. Abbiamo anche stimato la dimensione media dei pori sulla superficie intorno ai 13 nm.

Ma il dato clou è stato trovare la “ricetta” ottimale tra quelle testate: usando una concentrazione di MPD del 2% in peso (con un tempo di immersione di 2 minuti) e una concentrazione di TMC dello 0.1% peso/volume (con un tempo di reazione di 1 minuto), abbiamo ottenuto prestazioni davvero notevoli:

• Reiezione salina massima: 98.6% (davvero ottima!)
• Flusso d’acqua: 19.1 L/m²h

Questo dimostra che trovare il giusto equilibrio tra i parametri di fabbricazione è cruciale. Concentrazioni troppo alte o troppo basse, o tempi di reazione non ottimali, possono portare a membrane meno performanti, magari con un flusso più basso o una reiezione inferiore. Ad esempio, abbiamo visto che aumentando la concentrazione di MPD o il tempo di reazione del TMC, il flusso d’acqua tendeva a diminuire, probabilmente perché lo strato attivo diventava più spesso o più denso, aumentando la resistenza al passaggio dell’acqua, anche se magari migliorava leggermente la reiezione (fino a un certo punto).

Non è tutto oro quel che luccica: sfide e futuro

Siamo molto soddisfatti dei risultati, che ci danno indicazioni preziose su come ottimizzare queste membrane. Tuttavia, la ricerca non si ferma mai! Ci sono ancora sfide da affrontare. Ad esempio, abbiamo notato in test preliminari di stabilità che, dopo un po’, le prestazioni potevano cambiare, forse a causa di un leggero “restringimento” (shrinkage) della membrana sotto pressione o per l’aumento della temperatura dell’acqua di alimento. Questo è un aspetto importante da studiare per garantire la durabilità a lungo termine.

Inoltre, bisogna sempre considerare la resistenza allo sporcamento (fouling), cioè la tendenza delle membrane a intasarsi con l’uso. Migliorare l’idrofilicità, come abbiamo visto possibile fare agendo sulle concentrazioni, è una strada, ma si possono esplorare anche modifiche superficiali o l’integrazione di nanomateriali per rendere le membrane ancora più “scivolose” per i contaminanti.

Infine, un conto è produrre membrane in laboratorio, un altro è farlo su scala industriale in modo efficiente ed economico. Il passaggio dal banco di laboratorio all’applicazione reale richiede ulteriori ottimizzazioni e test in condizioni operative diverse e per periodi prolungati.

In conclusione: un passo avanti per l’acqua pulita

Il nostro studio ha dimostrato come, agendo con precisione sui parametri di fabbricazione (concentrazioni dei monomeri e tempi di reazione), sia possibile “accordare” finemente le proprietà delle membrane TFC in poliammide per ottenere prestazioni superiori nella desalinizzazione ad osmosi inversa. Abbiamo trovato una combinazione che ci ha dato risultati eccellenti in termini di reiezione salina e flusso d’acqua.

È un piccolo pezzo di un puzzle molto più grande, ma ogni passo avanti nella comprensione e nell’ottimizzazione di queste tecnologie ci avvicina a soluzioni più efficienti e sostenibili per affrontare la crisi idrica globale. E per me, contribuire, anche in piccola parte, a questo obiettivo è una motivazione incredibile!

Fonte: Springer