Il primo brevetto relativo alla distillazione a membrana risale al 1963, ad opera di Bruce R. Bodell,[2] dal titolo "Silicon Rubber Vapor Diffusion in Saline Water Distillation";[3] per il suo brevetto Bodell utilizzò un modulo a membrana tubulare costruito in gomma siliconica.[4]
Nel 1967 Findley pubblica il primo articolo sulla distillazione a membrana nella rivista "Industrial & Engineering Chemistry Process Design Development",[2] nel quale utilizza PTFE e gomma siliconica per la costruzione della membrana, a causa dell'elevata idrofobicità di tali materiali.[2]
Al 1967 risale inoltre un brevetto di Peter K. Weyl dal titolo "Recovery of Demineralized Water from Saline Waters",[5] nel quale, per la costruzione delle membrane, vengono proposti il polietilene (PE), il polipropilene (PP) e il polivinilcloruro (PVC).[2]
La membrana presenta pori dal diametro di 0,1÷1 micron[9] ed è inserita all'interno di un modulo a membrana in cui scorrono l'alimentazione (o "retentato"), la corrente contenente acqua dissalata ("permeato" o "distillato") ed eventualmente altri fluidi di processo o di servizio. Il carattere idrofobico della membrana fa sì che il passaggio del liquido attraverso i pori della membrana sia ostacolato dalla tensione superficiale, per cui la membrana è attraversata prevalentemente dal vapore acqueo, mentre i sali disciolti nel liquido rimangono nel retentato.[10]
A differenza della maggior parte degli altri processi a membrana, il processo di distillazione non è isotermo.[6] Infatti esso richiede che sia fornita energia termica all'alimentazione in modo che l'acqua possa attraversare i pori della membrana sotto forma di vapore.[11] Grazie alle temperature di esercizio relativamente basse (fino a 60÷90 °C[12][13]), l'energia termica necessaria può essere ad esempio fornita da un pannello solare termico, oppure da una rete di recupero del calore di scarto di una centrale termoelettrica[11].
La distillazione a membrana viene svolta a valori di pressione più bassi (qualche centinaio di kPa) rispetto al processo di osmosi inversa.[13] Il fenomeno del fouling è inoltre meno accentuato rispetto al processo di osmosi inversa, in quanto il diametro dei pori della membrana è maggiore.[13]
trasporto per convezione dei componenti più volatili (ovvero acqua pura) dal bulk del canale di alimentazione fino alla superficie della membrana (lato alimentazione);
evaporazione dei componenti volatili (ovvero acqua pura) in corrispondenza della superficie della membrana (lato alimentazione), con produzione di vapore;
attraversamento dei pori della membrana idrofobica da parte delle molecole di vapore;
condensazione del vapore (nel canale del permeato o in un condensatore).
Il flusso di vapore attraverso i pori della membrana può superare i 120 kg/m2h[8] e avviene attraverso la combinazione di due meccanismi: diffusione di Knudsen (prevalente quando il diametro dei pori è minore del cammino libero medio delle molecole di vapore) e flusso di Poiseuille (prevalente quando il diametro dei pori è 100 volte maggiore del cammino libero medio delle molecole di vapore), sebbene il meccanismo dominante sia la diffusione di Knudsen.[15] Ne discende che per una data membrana il flusso massico di vapore Nw (espresso in kg/m2s nel SI) è proporzionale alla differenza di pressione Δp ai lati della membrana:[16]
Nw = C·Δp
in cui C è una costante empirica, il cui valore dipende dalla geometria della membrana e dalla natura del materiale con la quale è costruita.
Classificazione
La distillazione a membrana può essere svolta in uno dei seguenti modi:
DCMD (Direct Contact Membrane Distillation): in tale configurazione la membrana divide il modulo in due compartimenti, attraversati dall'alimentazione e dal permeato;[17] rispetto alle altre configurazioni, garantisce un maggiore flusso attraverso la membrana,[18] ma presenta una minore efficienza termica (essendo l'efficienza termica definita come il rapporto tra il calore utilizzato per l'evaporazione del liquido e il calore fornito al retentato);[18] tale metodo è preferibile nel caso in cui il liquido da distillare è costituito prevalentemente da acqua,[13] ad esempio nel caso della distillazione dell'acqua di mare e nella produzione di succo d'arancia;[18]
LGDCMD (Liquid Gap Direct Contact Membrane Distillation): il permeato è diviso dal liquido di raffreddamento da un piatto di condensazione, per cui il modulo è suddiviso in tre compartimenti, attraversati dall'alimentazione, dal permeato e dal liquido di raffreddamento;[17]
AGMD (Air Gap Membrane Distillation): il permeato è diviso dal liquido di raffreddamento da un piatto di condensazione e scorre all'interno di un compartimento in cui è presente aria (detto "air gap");[17] la presenza dell'air gap aumenta l'efficienza termica rispetto alla configurazione DCMD, ma abbassa il flusso attraverso la membrana;[19]
VMD (Vacuum Contact Membrane Distillation): il flusso di permeato viene velocizzato attraverso una pompa a vuoto;[17] la condensazione del permeato viene svolta all'esterno del modulo, attraverso un condensatore;[20] l'efficienza termica di tale configurazione è elevata;[21] tale configurazione è preferibile quando si vogliano eliminare tracce di componenti non volatili da soluzioni acquose;[21]
SGMD (Sweeping Gas Membrane Distillation): un gas inerte trasporta con sé le molecole di vapore che attraversano la membrana;[20] analogamente al caso della configurazione VMD, la condensazione del permeato viene svolta all'esterno del modulo, attraverso un condensatore;[20] tale configurazione presenta un'efficienza termica paragonabile a quella della configurazione AGMD e un flusso attraverso la membrana paragonabile a quello della configurazione DCMD,[19] ma presenta costi più elevati associati alla presenza del condensatore;[19] tale configurazione ha campi di applicazione simili a quelli della configurazione VMD.[19]
In tutti i casi, l'alimentazione e il permeato scorrono in controcorrente (in modo da aumentare la forza spingente) e l'alimentazione (costituita da acqua avente un contenuto salino più elevato rispetto al permeato) è a contatto diretto con un lato della membrana.[6]