Come funziona l'osmosi inversa? Guida tecnica al trattamento delle acque

L’osmosi è un fenomeno naturale fondamentale per la vita di piante e animali. È il processo che consente alle cellule di regolare il passaggio dell’acqua attraverso la propria membrana, mantenendo l’equilibrio interno necessario al loro funzionamento. La membrana cellulare, infatti, è semipermeabile: lascia passare l’acqua, ma trattiene alcune sostanze disciolte, come sali, zuccheri e proteine.

Dal punto di vista chimico-fisico, l’osmosi avviene quando due soluzioni acquose con concentrazioni saline diverse sono separate da una membrana semipermeabile. In questa condizione, l’acqua tende a spostarsi spontaneamente dalla soluzione più diluita verso quella più concentrata, fino a raggiungere un equilibrio tra le due concentrazioni.

Questo movimento genera una forza chiamata pressione osmotica. Il termine deriva dal greco “osmós”, che significa spinta, e descrive proprio la tendenza dell’acqua a muoversi attraverso la membrana. Maggiore è la differenza tra le concentrazioni saline delle due soluzioni, maggiore sarà la pressione osmotica generata.

L’osmosi inversa parte da questo stesso principio, ma lo applica in direzione opposta. Esercitando una pressione superiore alla pressione osmotica naturale, l’acqua viene forzata ad attraversare la membrana semipermeabile nel verso contrario. In questo modo si ottengono due flussi distinti: da una parte un’acqua molto più diluita, povera di sali e sostanze disciolte; dall’altra una soluzione più concentrata, che raccoglie gli elementi trattenuti dalla membrana.

Le pressioni necessarie variano in base al tipo di acqua da trattare. Per l’acqua di mare possono servire pressioni molto elevate, pari a diverse decine di atmosfere, mentre per acque di rete o debolmente salmastre i valori richiesti sono generalmente più contenuti e possono aggirarsi intorno ai 10 bar.

Le moderne tecnologie hanno reso disponibili impianti ad osmosi inversa compatti, efficienti e adattabili a contesti molto diversi. Possono essere utilizzati per trattare acque con elevata concentrazione salina, per migliorare la qualità delle comuni acque di rete o per produrre acqua demineralizzata destinata a utilizzi tecnici.

Un impianto a osmosi inversa comprende alcuni componenti principali che sono la membrana osmotica e la pompa ad alta pressione.

La membrana osmotica è costituita da un’anima centrale attorno alla quale viene avvolta a spirale una tela semipermeabile in materiale sintetico, come il polisulfone o altri materiali tecnici. Questa struttura consente di ottenere una superficie di contatto elevata in uno spazio relativamente contenuto, migliorando l’efficienza del trattamento.

Le membrane vengono classificate in base alle dimensioni e alla capacità produttiva. Le dimensioni sono spesso indicate in pollici: ad esempio, una membrana 4040 corrisponde a un modulo lungo 40 pollici e largo 4. La capacità produttiva, invece, può essere espressa in GPD, cioè galloni al giorno, oppure in portata oraria negli impianti industriali.

Oltre alla membrana, per garantire la pressione necessaria a invertire la naturale pressione osmotica entrano in gioco le pompe ad alta pressione (solitamente compresa tra 10 e 70 bar, a seconda della salinità dell'acqua).

Un impianto a osmosi inversa industriale comprende, inoltre, anche altri elementi come il sistema di prefiltrazione, che serve a trattenere particelle e impurità che potrebbero danneggiare le membrane; I manometri, che permettono di controllare le pressioni di esercizio; I flussimetri, che misurano permeato e concentrato; Il conduttivimetro, che consente di monitorare la qualità dell’acqua trattata verificando la conducibilità del permeato e Il quadro di comando, che gestisce automazione, protezione e controllo dell’impianto.

Il funzionamento di un impianto a osmosi inversa prevede che l’acqua da trattare venga spinta verso la membrana da una pompa. Quando l’acqua attraversa la membrana, si separano due flussi: il permeato e il concentrato.

Il permeato è l’acqua trattata, povera di sali e destinata all’utilizzo. Il concentrato, invece, è il flusso che contiene una concentrazione più elevata di sali e sostanze trattenute dalla membrana e viene normalmente scartato o gestito secondo la configurazione dell’impianto.

I parametri fondamentali per valutare le prestazioni di un sistema a osmosi inversa includono il contenuto salino del permeato, la resa dell’impianto e la reiezione della membrana.

• Il contenuto salino del permeato viene spesso indicato come residuo fisso o TDS, acronimo di Total Dissolved Solids. Si misura in mg/L o ppm e rappresenta la quantità complessiva di solidi disciolti presenti nell’acqua. un TDS basso significa un’acqua più povera di sali e più adatta ad applicazioni tecniche che richiedono parametri controllati.
• La resa dell’impianto, ovvero la quantità di permeato rispetto alla quantità totale di acqua in ingresso, può variare in base alla configurazione. Una membrana osmotica può produrre mediamente una quota di permeato pari a circa il 20% del flusso in ingresso nei sistemi più semplici, mentre negli impianti più grandi, con più membrane in serie e configurazioni progettate per ottimizzare il recupero, questo valore può superare il 75%.
• La reiezione della membrana, invece, rappresenta la capacità di trattenere i soluti presenti nell’acqua. Questo valore dipende da diversi fattori: caratteristiche dell’acqua in ingresso, pressione di esercizio, temperatura, qualità della membrana, pretrattamento e manutenzione dell’impianto. In condizioni corrette, i valori di rimozione per molte sostanze presenti nell’acqua possono superare il 95%.

Negli impianti industriali, il pretrattamento ha un ruolo fondamentale nel mantenere efficienti e costanti le prestazioni dell’impianto a osmosi inversa.

Prima di raggiungere la membrana, infatti, l’acqua può contenere solidi sospesi, cloro, durezza elevata, ferro, manganese, sostanze organiche o particelle che rischiano di intasare, incrostare o danneggiare la membrana, influenzando in modo negativo TDS, resa e capacità di reiezione. Per questo motivo, a seconda della qualità dell’acqua in ingresso, possono essere previsti a monte del sistema di osmosi inversa, filtri a sedimenti, filtri a carbone attivo, addolcitori, dosaggi antincrostanti o altri sistemi di filtraggio.