Secondo le analisi dell'International Energy Agency (Iea), il cambiamento climatico comporterà un aumento complessivo della domanda di energia. Uno dei motivi è la crescente desertificazione, che comporta l'esaurimento degli acquiferi e la necessità di ricorrere alla desalinizzazione per soddisfare la domanda di acqua dolce, sia per usi civili che agricoli.
La tecnologia di desalinizzazione più diffusa a livello industriale è attualmente quella dell'osmosi inversa. Laddove sia disponibile del calore residuo oppure in zone ad alto irraggiamento solare, è possibile ricorrere alla dissalazione. Malgrado il progresso tecnologico nella fabbricazione di membrane, l'osmosi inversa è un processo molto energivoro: servono da 3 a 5,5 kWh di elettricità. La distillazione multistadio (uno dei più efficienti fra i processi termici) richiede almeno 10 kWh di calore per m3 di acqua di mare (1). Esiste un terzo sistema, noto come elettrodialisi, che consiste nell'applicazione di una differenza di potenziale fra due elettrodi posti in camere separate da membrane permeabili agli ioni positivi e negativi (Foto 1).
Foto 1: Schema di una cella di elettrodialisi
(Fonte foto: Sadaat et al. (2), traduzione e adattamento grafico di Mario A. Rosato - AgroNotizie®)
Il consumo energetico dei sistemi di elettrodialisi si aggira fra 0,5 e 2,5 kWh/m3 quando la fonte è acqua salmastra (meno di 10 grammi di sale per litro) (3), salendo a 2-5 kWh/m3 per la desalinizzazione di acqua marina (4). Le celle a elettrodialisi sono disponibili commercialmente, ma in genere vengono utilizzate per il trattamento di acque salmastre. Per la desalinizzazione di acqua marina sono ancora preferiti i sistemi ad osmosi inversa o a distillazione multistadio.
Nell'ipotetico caso di un'azienda agricola in una zona con periodica siccità o salinizzazione delle falde, un sistema ad elettrodialisi avrebbe un costo di installazione da 500 USD a 1.500 USD per m3/giorno, minore rispetto a quello di un sistema a osmosi inversa (da mille USD a 3mila USD per m3/giorno) (5). Il consumo energetico ed il costo di manutenzione delle membrane è quasi uguale per entrambi i sistemi, ma le membrane di elettrodialisi hanno una vita utile leggermente più lunga perché lavorano a bassa pressione (6).
Una tecnologia emergente per superare il problema dell'elevato consumo energetico dei sistemi di desalinizzazione è una combinazione di una cella di elettrodialisi con una cella a combustibile microbica, nota come cella di desalinizzazione microbica. Le celle di desalinizzazione microbica utilizzano specifici batteri bioelettroattivi del genere Geobacter per trasformare l'energia contenuta nella materia organica presente nelle acque reflue in energia elettrica. Le specie di Geobacter sono specializzate nel creare contatti elettrici con accettori di elettroni extracellulari e altri organismi. Ciò consente loro di riempire nicchie importanti in una diversità di ambienti anaerobici. Ad esempio, alcune specie di Geobacter sembrano essere gli agenti primari per accoppiare l'ossidazione di composti organici alla riduzione di ossidi insolubili di Fe(III) e Mn(IV) in molti terreni e sedimenti, un processo di importanza biogeochimica globale. Alcune specie di Geobacter possono ossidare anaerobicamente gli idrocarburi aromatici e svolgere un ruolo importante nella rimozione degli idrocarburi aromatici dagli acquiferi contaminati.
La differenza di potenziale che l'attività dei Geobacter crea tra gli elettrodi provoca la separazione dei sali attraverso le membrane a scambio ionico, consentendo la desalinizzazione dell'acqua di mare e dell'acqua salmastra senza bisogno di energia esterna. Ciò consente una riduzione del fabbisogno di elettricità di almeno un ordine di grandezza rispetto alla desalinizzazione convenzionale mediante osmosi inversa. La Foto 2 mostra lo schema di una cella di desalinizzazione microbica.
Foto 2: Schema di una MDC con catodo ad aria
(Fonte foto: Disegno di Mario A. Rosato - AgroNotizie® basato sul punto (7) della bibliografia)
In estrema sintesi: una cella di desalinizzazione microbica (MDC, in inglese) è un nuovo metodo per ridurre la salinità di una soluzione mentre si genera energia elettrica mediante l'ossidazione di materia organica ad opera di batteri che crescono in un'altra soluzione (soluzione anodica) che, nel caso pratico, sarebbe un liquame zootecnico oppure acque residue da qualche attività agroalimentare. Riduzioni sostanziali della salinità possono richiedere volumi molto più grandi della soluzione anodica rispetto all'acqua salina da trattare, tutto dipende dalla concentrazione di sale.
La MDC può funzionare come un sistema di desalinizzazione a sé stante, oppure come un pretrattamento a vantaggio dell'efficienza energetica di un eventuale sistema convenzionale di desalinizzazione a osmosi inversa installato a valle. Questa ultima opzione è stata studiata (8) utilizzando un nuovo tipo di MDC a catodo d'aria contenente tre camere di uguali dimensioni.
Un singolo ciclo di funzionamento utilizzando una soluzione di acetato da 1 grammo/litro (per simulare un liquame o acqua residuale) ha ridotto la conduttività dell'acqua salmastra (5 grammi/litro di NaCl) del 43 ± 6% e ha prodotto una densità di potenza massima di 480 mW/m2 con un'efficienza del 68 ± 11%. Una concentrazione più elevata di acetato (2 grammi/litro) ha ridotto la conduttività dell'acqua salmastra del 60 ± 7%.
Testando una salamoia con una concentrazione di 20 grammi/litro di NaCl, la conduttività della stessa è calata del 50 ± 7%. L'uso di membrane con capacità di scambio ionico aumentate ha ulteriormente ridotto la conduttività della salamoia del 63 ± 2%. Questi risultati dimostrano che è possibile una sostanziale desalinizzazione dell'acqua (43-67%) utilizzando volumi uguali di soluzione anodica e acqua salata, riducendo sostanzialmente le concentrazioni iniziali di sale e quindi la domanda di energia per la desalinizzazione finale con un sistema convenzionale posto a valle.
Allo stesso tempo, la MDC riduce il contenuto di carbonio della soluzione anodica (detta anolito). Qualora questa ultima fosse un liquame, l'ossidazione del carbonio equivale a un pretrattamento, paragonabile alla digestione anaerobica o al trattamento primario degli impianti per reflui civili, con inoltre una clorazione parziale. Si hanno allora una desalinizzazione e un trattamento primario di un refluo producendo allo stesso tempo una certa quantità di energia elettrica. Per quanto modesta, questa ultima rappresenta sempre un vantaggio se comparata con i processi convenzionali di osmosi inversa e ossidazione, fortemente energivori. La corrente bioelettrica potrebbe coprire, almeno in parte, la domanda delle pompe (non considerate nella ricerca citata, che ha utilizzato una cella chiusa in modo batch, ma necessarie in un sistema come quello schematizzato nella Foto 2).
Le MDC abbinate ad un sistema convenzionale di osmosi inversa sono state implementate a livello dimostrativo nel progetto MIDES finanziato dall'Unione Europea con 6.328.164,13 euro, ma ancora non hanno raggiunto la scala commerciale.
L'evoluzione delle MDC sono le MDC fotosintetiche (PMDC in inglese). In queste celle l'ossigeno per la camera catodica è generato da microalghe, che vengono coltivate in fotobioreattori alimentati con l'effluente della camera anodica, idealmente privo di carbonio organico ma con un contenuto di azoto e minerali sufficiente per favorire la crescita delle microalghe (9). Con queste celle sono state ottenute densità di energia di 84 mW/m3 (volume del bioanodo) o 151 mW/m3 (volume del biocatodo) e un tasso di desalinizzazione del 40% (10). La limitazione della prestazione è data dall'accumulo di Cl nell'anolito e di Na nel catolito, entrambi elementi tossici per batteri e microalghe oltre una certa soglia di concentrazione. Un altro problema ancora da risolvere è il biofouling, cioè l'intasamento delle membrane di scambio ionico causato dalla crescita di batteri e microalghe.
La tecnologia delle MDS e PMDS si trova ancora ai primi stadi di sviluppo, ma i loro vantaggi - assenza di parti mobili, processo di desalinizzazione a energia quasi zero, riduzione del carico organico dei liquami - potrebbero renderle la soluzione ideale per le aziende zootecniche o agroalimentari soggette a deficit idrico o stabilite in zone con falde acquifere salmastre.
Bibliografia
(1) Al-Karaghouli, A., & Kazmerski, L. L. (2013). Energy Consumption and Water Production Cost of Conventional and Renewable-Energy-Powered Desalination Processes. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 24, 343-356.
(2) Saadat, A H M & Islam, Md Saiful & Fahmida, Parvin & Sultana, Ayesha. (2018). Desalination Technologies for Developing Countries: A Review. Journal of Scientific Research. 10. 77-97.
(3) Sohum K. Patel, Mohan Qin, W. Shane Walker, and Menachem Elimelech, Energy Efficiency of Electro-Driven Brackish Water Desalination: Electrodialysis Significantly Outperforms Membrane Capacitive Deionization Environmental Science & Technology 2020 54 (6), 3663-3677.
(4) Shi, J.; Gong, L.; Zhang, T.; Sun, S. Study of the Seawater Desalination Performance by Electrodialysis. Membranes 2022, 12, 767.
(5) Wittholz, Michelle. "Estimating the Cost of Desalination Plants Using a Cost Database". Desalination, 2008.
(6) Yongjun Choi, Seung-Hyun Kim, Sangho Lee, Comparison of performance and economics of reverse osmosis, membrane distillation, and pressure retarded osmosis hybrid systems, Desalination and Water Treatment, 77 (2017) 19–29.
(7) Ramírez-Moreno M, Rodenas P, Aliaguilla M, Bosch-Jimenez P, Borràs E, Zamora P, Monsalvo V, Rogalla F, Ortiz JM and Esteve-Núñez A, Comparative Performance of Microbial Desalination Cells Using Air Diffusion and Liquid Cathode Reactions: Study of the Salt Removal and Desalination Efficiency. Front. Energy Res. 7:135. (2019).
(8) Maha Mehanna, Tomonori Saito, Jingling Yan, Michael Hickner, Xiaoxin Cao, Xia Huang and Bruce E. Logan; Using microbial desalination cells to reduce water salinity prior to reverse osmosis; Energy & Environmental Science, 01 August 2010, Issue 8, Page 981 to 1136.
(9) Ewusi-Mensah, D.; Huang, J.; Chaparro, L.K.; Rodenas, P.; Ramírez-Moreno, M.; Ortiz, J.M.; Esteve-Núñez, A. Algae-Assisted Microbial Desalination Cell: Analysis of Cathode Performance and Desalination Efficiency Assessment. Processes 2021, 9, 2011.
(10) Bahareh Kokabian and Veera Gnaneswar Gude, Photosynthetic microbial desalination cells (PMDCs) for clean energy, water and biomass production, Environmental Science Processes & Impacts, Royal Society of Chemistry, 2013.
