Dissalare (e bere) acqua di mare: nuove membrane per rendere l'acqua potabile

Rendere potabile l’acqua di mare: questo l’ambizioso obiettivo, che potrebbe contribuire a risolvere problemi sostanziali per molti Paesi nei quali la disponibilità di acqua dolce è limitata, della ricerca di un team di ingegneri del Dipartimento Energia – DENERG del Politecnico di Torino in collaborazione con il Massachusetts Institute of Technology-MIT (Cambridge, USA) e l’University of Minnesota (Minneapolis, USA). Le tematiche di ricerca legate al tema dell’acqua, infatti, vedono il Politecnico collaborare con le più importanti università al mondo e condurre progetti altamente interdisciplinari che coinvolgono numerosi gruppi di ricerca dell’Ateneo.

La prestigiosa rivista Nature Communications ha recentemente pubblicato i risultati della ricerca di DENERG e MIT, aprendo così una nuova via nello sviluppo di tecnologie per la dissalazione a membrana.

L’acqua salata del mare può infatti essere resa “dolce” (dissalata) con l’impiego di una membrana, ossia grazie a un “setaccio” in grado di separare le molecole di acqua dai sali in essa disciolti. L’energia necessaria a questo processo di separazione può essere fornita da una sorgente di calore, da un campo elettromagnetico oppure dalla pressione idraulica esercitata da una pompa. In particolare, la ricerca italo-americana si è concentrata sul processo di osmosi inversa per la dissalazione dell’acqua, basato sulla capacità di alcuni materiali porosi di farsi attraversare dalla sola acqua in pressione, separandola così dal sale.

A tutti è capitato di trovarsi in coda ai caselli autostradali: “Supponiamo che le moto siano molecole di acqua e le automobili ioni disciolti del sale, e che entrambe si trovino pazientemente in coda al casello”, spiegano i ricercatori del Politecnico, che proseguono: “Ora, immaginiamo che l’apertura del casello sia di un metro: le moto in coda riuscirebbero a superare facilmente la barriera e a entrare in autostrada, mentre le automobili sarebbero obbligate a fare marcia indietro. Analogamente, una membrana per l’osmosi inversa permette il trasporto delle molecole di acqua, bloccando invece i sali disciolti. Una membrana efficiente ha poi la caratteristica di farsi attraversare dalla maggior quantità di acqua a parità di energia richiesta per il processo, ossia di possedere un’elevata permeabilità”.

 I ricercatori del Politecnico di Torino, del MIT e dell’University of Minnesotahanno però fatto un passo ulteriore: per la prima volta sono riusciti a comprendere i meccanismi che regolano il trasporto dell’acqua da una parte (acqua salata) all’altra (acqua dolce) della membrana. I laboratori del MIT, infatti, hanno misurato sperimentalmente la capacità delle membrane di trasportare l’acqua, ossia il coefficiente di diffusione dell’acqua infiltrata. Tali membrane sono composte da zeolite, un materiale caratterizzato da una fitta (e regolare) rete di pori con dimensioni inferiori al nanometro (meno di un miliardesimo di metro). Tuttavia, il coefficiente di diffusione dell’acqua misurato nei laboratori è quasi un milione di volte inferiore rispetto al valore atteso dalle simulazioni e analisi teoriche condotte dai ricercatori del Politecnico di Torino. Un bell’enigma, insomma, che ha richiesto più di due anni di lavoro e viaggi tra Torino e Boston, grazie al programma di collaborazione MITOR finanziato dalla Compagnia di San Paolo.

“Mentre i precedenti studi si erano principalmente concentrati sul processo di trasporto all’interno della membrana, noi ci siamo soffermati su quello che avveniva sulla sua superficie, trovando lì la soluzione all’enigma”, spiegano i ricercatori. Il trasporto dell’acqua attraverso la membrana è infatti regolato da una serie di due fenomeni successivi: le molecole di acqua devono prima trovare un poro aperto (resistenza superficiale al trasporto), quindi entrare e diffondere all’interno della membrana (resistenza volumetrica al trasporto), uscendone infine dal lato opposto: “Tornando alla similitudine precedente, non è sufficiente aggiungere una o più corsie all’autostrada per rendere più rapido il viaggio dei motociclisti verso la loro meta; occorre fare anche attenzione che vi sia un numero di caselli aperti sufficiente a evitare ingorghi all’ingresso (e all’uscita) dell’autostrada”.

Gli ingegneri del Politecnico di Torino hanno dunque dimostrato che l’enorme differenza tra i valori di permeabilità della membrana attesi e misurati sperimentalmente sono da imputarsi alla resistenza superficiale della membrana al trasporto dell’acqua. Tale resistenza è dovuta agli attuali metodi di fabbricazione delle membrane in zeolite, che causano la chiusura di più del 99,9% dei pori superficiali teoricamente disponibili. In altri termini, le molecole di acqua hanno a disposizione un ridottissimo numero di pori per infiltrarsi nella membrana (uno ogni mille), e questo causa un effetto collo di bottiglia che rallenta il trasporto complessivo dell’acqua attraverso la membrana, dunque riducendone drasticamente la permeabilità. Dopo più di due anni di ricerche tramite simulazioni al computer e attività di laboratorio, Matteo Fasano, Alessio Bevilacqua, Eliodoro Chiavazzo, Pietro Asinari (Multi-Scale Modelling Lab, Dipartimento Energia al Politecnico di Torino), Thomas Humplik, Evelyn Wang (Device Research Laboratory, MIT) e Michael Tsapatsis (Tsapatsis Research Group, University of Minnesota) sono così riusciti a creare un preciso modello fisico di questo processo.

La scoperta ha un impatto immediato nella fabbricazione di membrane innovative per la dissalazione, in cui si miri principalmente all’aumento del numero di pori superficiali accessibili e dunque alla riduzione della resistenza superficiale al trasporto. I ricercatori stimano che membrane create con criteri simili abbiano la possibilità di raggiungere permeabilità fino a 10 volte superiori a quelle attuali, abbattendo così i costi operativi necessari al processo di dissalazione. Questa nuova comprensione dei fenomeni di trasporto superficiale e volumetrico apre inoltre nuove strade in altre applicazioni in cui vengono impiegati materiali nanoporosi: dalle tecnologie per l’energia sostenibile (es. batterie termiche ad adsorbimento) alla rimozione di inquinanti nell'acqua (es. mediante filtri nanometrici), fino ad arrivare alla nanomedicina (es. rilascio controllato di farmaci).