Membrane più redditizie e più ecologiche per dissalare l’acqua di mare

Consentono di ridurre la bolletta energetica del 12% per 3 volte più acqua prodotta rispetto ai metodi attuali

[7 Aprile 2021]

Crescita della popolazione, siccità: l’accesso all’acqua potabile è un importante problema di salute pubblica. Nuove membrane per dissalare l’acqua di mare potrebbero ridurre la bolletta preservando l’ambiente, come spiega in questo articolo pubblicato con il titolo “Dessaler l’eau de mer : des membranes plus rentables et plus écologiques” su CNRS Le Journal e Liberation dal chimico Mihail Barboiu, direttore di ricerca al CNRS e dell’Institut européen des membranes de Montpellier (CNRS/ENSC Montpellier/Université de Montpellier).

 

Più di 2,2 miliardi di persone – o un essere umano su tre – non hanno acqua potabile. Con la crescita della popolazione globale in rapida evoluzione e le attività economiche sullo sfondo del cambiamento climatico, molti Paesi avranno bisogno di soluzioni urgenti. Dissalare l’acqua di mare è un’idea allettante. Per fare questo, da circa cinquant’anni sono state sviluppate membrane filtranti che lasciano passare le molecole d’acqua ma bloccano gli ioni che compongono il sale. Ma le loro prestazioni finora hanno consentito solo di ottenere soluzioni molto costose in termini energetici, contribuendo esse stesse al cambiamento climatico. La membrana ibrida che abbiamo sviluppato (1 –  2)  potrebbe cambiare le regole del gioco. Combinazione di una matrice di poliammide, già utilizzata dalle industri della dissalazione e dei canali artificiali d’acqua, dissala tre volte più acqua e consuma il 12% in meno di energia per ogni metro cubo di acqua trattata rispetto ai metodi attuali.

Attualmente in tutto il mondo vengono dissalati circa 100 milioni di metri cubi di acqua al giorno. Vengono utilizzate diverse tecnologie avanzate. Si basano principalmente su un processo ispirato alla natura: l’osmosi. Questo corrisponde, ad esempio, al passaggio spontaneo dell’acqua attraverso i pori di una membrana che separa due soluzioni di diverse concentrazioni saline: l’acqua passa dalla meno concentrata alla più concentrata, che diluisce quest’ultima e finisce per ridurre la differenza in concentrazione tra le due soluzioni. Ma per dissalare l’acqua di mare, al contrario, è necessario “spingere” l’acqua nella direzione opposta a questo movimento spontaneo, in modo da ottenere concentrazioni di sale molto diverse su entrambi i lati della membrana, o addirittura una concentrazione nulla o quasi nulla da un lato. Questo  richiede l’applicazione di alta pressione all’acqua. Si parla di osmosi inversa sotto pressione.
La sintesi di tali membrane, chiamate biomimetiche perché riproducono processi biologici, beneficia del progresso costante della chimica. E’ passato più di mezzo secolo dalla concezione della prima membrana utilizzata per la dissalazione ad osmosi inversa. Prodotta sotto forma di un sottile strato di poliammide, ha una permeabilità all’acqua che va da 1 a 1,5 litri per metro cubo per ora per bar e un tasso di rigetto del sale del 99%. Più di recente, la produzione di membrane a base di film sottili di poliammide, comprese le nanoparticelle, ha migliorato la permeabilità con, tuttavia, un tasso inferiore di rigetto del sale.

Proteine ​​per membrane bioassistite

Altre membrane, sviluppate negli anni 2010, hanno fatto affidamento su un’imitazione ancora maggiore della natura. Incorporano proteine, acquaporine, formando canali permeabili all’acqua e respingendo gli ioni. La scoperta di queste acquaporine, che svolgono questo compito all’interno della membrana delle cellule biologiche, è valsa il Premio Nobel per la chimica al biologo americano Peter Agre nel 2003. Grazie a loro, la permeabilità delle membrane è migliorata di circa il 30%, ma con selettività ionica ridotta (il tasso di rigetto del sale è solo del 97%). Soprattutto, le applicazioni su larga scala delle membrane ibride poliammide-acquaporina soffrono ancora di molti inconvenienti: alto costo di produzione di acquaporine per biosintesi, bassa stabilità, vincoli di fabbricazione, instabilità ad alte pressioni, ecc.

Canali artificiali e fili d’acqua molecolari

Per migliorare le membrane per la dissalazione, le acquaporine possono essere sostituite da canali sintetici, canali d’acqua artificiali (3)  (o AWC per artificial water channel)), per i quali l’interesse è cresciuto notevolmente negli ultimi dieci anni. Ad esempio, abbiamo lavorato sui cosiddetti canali “I-quartet” (4)9*63.

che possono essere inseriti in un doppio strato lipidico, simile alla membrana delle nostre cellule

biologiche. Abbiamo quindi scoperto che per attraversare questi canali, le molecole d’acqua si allineano selettivamente in un’unica fila indiana (si parla di fili d’acqua molecolari). Meglio ancora: sono orientati in un modo molto preciso che si spiega con la polarità della molecola d’acqua. Combinato con l’asimmetria dei canali stessi.

Rispetto ad una disposizione casuale, questa cosiddetta disposizione chirale genera una maggiore mobilità delle molecole d’acqua nei canali, favorendo così il trasporto della materia, con un ridotto apporto di energia esterna.

Questi canali d’acqua artificiali hanno rapidamente rappresentato un’alternativa promettente, ma la produzione di tali membrane biomimetiche su scala di un metro si è rivelata complessa. Per riuscire in questo aumento, abbiamo quindi fatto affidamento fin dai primi giorni sulla combinazione di AWC con la collaudata poliammide. La sfida è integrare le AWC senza problemi, senza creare difetti nella membrana. Abbiamo ottenuto questo risultato migliorando il processo di polimerizzazione convenzionale utilizzato per produrre membrane in poliammide. E abbiamo ottenuto una struttura ibrida AWC-poliammide a forma di “super-spugna”.

Membrane altamente selettive

Questo lavoro è stato oggetto di una domanda di brevetto nel 2019 e tali membrane ibride sono in fase di sviluppo con diversi partner industriali. Le loro prestazioni in permeabilità (3 litri per metro cubo ora per bar) e rigetto di sale (maggiore del 99,5%) consentono di ridurre la bolletta energetica del 12% per tre volte più acqua prodotta rispetto ai metodi attuali i cui rendimenti sono rimasti fermi per cinquanta anni.

Costituiscono quindi un cambio di scala, offrendo al contempo un miglioramento della stabilità a lungo termine di questi materiali e una riduzione delle dimensioni degli impianti di desalinizzazione. Si potrebbe anche prendere in considerazione l’uso di queste membrane per la produzione di un modo più semplice di acqua ultra pura necessaria per la fabbricazione di vaccini o componenti di microelettronica, evitando l’uso di costosi metodi di scambio ionico molto sensibili alla durezza dell’acqua in alcune parti del mondo.
Comprendere il flusso selettivo dell’acqua nei canali artificiali è un’area che collega la ricerca fondamentale e le applicazioni industriali. Sorprendentemente, canali d’acqua artificiali di dimensioni nanometriche (un nanometro vale un milionesimo di millimetro, o 10-9  metri!) Permettono di fabbricare metri quadrati di membrane per produrre milioni di metri cubi di acqua dissalata al giorno … E’ la bellezza della chimica che ha il potere di costruire i suoi oggetti a scale diverse e per applicazioni così diverse.

di Mihail Barboiu

 

Note:

1 Coordinata dall’Institut européen des membranes de Montpellier, l’équipe del CNRS ha cooperato con dei ricercatori del Politecnico di Torino, della King Abdullah University of Science and Technology (Arabia saudita) e del Lehn Institute of Functional Materials, School of Chemistry (Cina).

2 Di Vincenzo, M. et al. (2020), “Biomimetic artificial water channel membranes for enhanced desalination’, Nature Nanotechnology, DOI: 10.1038/s41565-020-00796-x

3 Licsandru, E. et al. (2016), “Salt-excluding artificial water channels exhibiting enhanced dipolar water and proton translocation”, J. Am. Chem. Soc., 138, 5403.

4 Kocsis I. et al. (2018) “Oriented chiral water wires in artificial transmembrane channels”, Science Adv. 4, eaao5603 ; Barboiu, M. (2018) “Artificial Water channels: ”, Faraday Discussions, vol. 209, Royal Society of Chemistry.