ED vs RO: I benefici dell’elettrodialisi per la desalinizzazione

Di Kevin Westerling,
@KevinOnWater

Non c’è dubbio che l’osmosi inversa (RO) attualmente regna tra le tecniche di desalinizzazione, se la tua metrica è il numero totale di installazioni. Ma è sorto un nuovo concorrente, almeno per applicazioni particolari. Se si dispone di acqua salmastra nell’intervallo da 2.000 a 15.000 ppm di solidi totali disciolti (TDS), è possibile considerare l’elettrodialisi (ED) su RO.

ED è progettato principalmente per la desalinizzazione, quindi se stai usando RO per rimuovere solidi sospesi, carbonio organico totale (TOC) o altri contaminanti, puoi smettere di leggere ora (suppongo) e rimanere con RO. Ci sono molte applicazioni, tuttavia, in particolare nello spazio industriale, dove la desalinizzazione dell’acqua salmastra è parte integrante delle operazioni. Viene anche utilizzato sempre più per integrare la diminuzione delle risorse disponibili e mitigare l’intrusione di acqua salata delle falde acquifere. Storicamente costo-proibitivo, l’elettrodialisi è ora valida alternativa all’osmosi inversa-forse anche migliore.

Di seguito sono riportati i vantaggi di ED rispetto a RO, poiché quest’ultimo è lo standard corrente. Sono stati condivisi da Pat Buzzell di Evoqua Water Technologies, che ha eseguito un’ampia R&D sulla tecnologia ED dal 2008 nel suo (riuscito) tentativo di rendere fattibile la dissalazione elettrochimica tramite elettrodialisi per un’adozione diffusa. I benefici erano sempre lì per ED, tornando al suo inizio un mezzo secolo fa, ma una maggiore accessibilità getta questi vantaggi in una nuova luce.

Accordabilità

Cosa significa essere sintonizzabili? Nel contesto della desalinizzazione, significa la possibilità di modificare facilmente l’input e l’output. ED ce l’ha, RO no.

“Abbiamo effettivamente pilotato su alcuni siti che sono aree oceaniche e salmastre, con 2.000 ppm durante la marea in uscita e forse 35.000 ppm durante la marea in arrivo. Questo è un bel colpo dal punto di vista di TDS. Tutto ciò che facciamo dal punto di vista dell’ED è aumentare la quantità di energia necessaria per cacciare quei sali dalla soluzione”, ha spiegato Buzzell.

“La quantità di energia necessaria si basa interamente su quanto sale è necessario espellere, quindi è una funzione completamente di portata e concentrazione di sale nell’acqua che scorre attraverso il modulo.”

Con ED, la qualità dell’acqua non è influenzata dalla riduzione dell’energia. Qualsiasi energia che non è necessaria viene salvata, ma l’output è coerente. Con RO, la qualità dell’acqua costante dipende da una certa pressione (alta) per pompare e filtrare l’acqua di alimentazione attraverso piccoli pori della membrana, indipendentemente da quanto sale viene rimosso.

“In una certa misura, è una specie di tecnologia stupida”, ha detto Buzzell di RO. “È solo una rimozione diretta, e non c’è molto che puoi fare per cambiare l’output. È possibile modificare la pressione, ma si ottiene un output abbastanza simile.”

Funzionamento a bassa pressione

Mentre il RO dipende dall’alta pressione per il suo trattamento a membrana, l’ED funziona mediante separazione a flusso incrociato utilizzando membrane a scambio ionico (IX), che è un processo a bassa pressione/flusso tangenziale. In contrasto con la forza bruta della filtrazione RO, ED funziona tranquillamente e non richiede tubazioni specializzate, valvole e pompe per accogliere la pressione intensa del RO.

“Stiamo operando a meno di 7 bar; stanno operando a 70 bar”, ha osservato Buzzell. “Perché una pompa da 1000 psi funzioni, è stridente. Devi progettare per tenere conto del rumore, delle vibrazioni e della pressione.”

Costo del ciclo di vita

Secondo Buzzell, tali requisiti di attrezzature esigenti per RO prendono il loro pedaggio. L’ED è guidato principalmente dall’acqua di alimentazione del sistema, non dalle pompe, che aiuta a ridurre i costi del ciclo di vita. Citando gli studi interni di Evoqua, Buzzell ha riferito che il nuovo sistema NEXED ED mostra un vantaggio percentuale 10 rispetto al RO sul costo totale del ciclo di vita per le applicazioni di acqua salmastra, inclusa una riduzione percentuale di 30 nell’uso di energia (basata sull’uso di energia RO di 3 kWh/m3). “Ma l’osmosi inversa non si è affatto fermata”, ha riconosciuto Buzzell. “Hanno fatto progressi.”

Sebbene possano cambiare nel tempo, i costi di capitale e l’energia sono facili da calcolare e confrontare; O&M i costi sono più difficili da valutare. Buzzell ha sostenuto che, poiché RO richiede più attrezzature che operano in un ambiente severo, ED guadagna un vantaggio per quanto riguarda a lungo termine O&M. Non solo meno costoso, ma anche più semplice.

Facile manutenzione

Sia RO che ED richiedono regimi clean-in-place (CIP) per mantenere le membrane libere da incrostazioni e incrostazioni; tuttavia, quando un pattino del RO è preso fuori linea per pulizia, c’è un calo necessario nella capacità del trattamento — e che non è il caso di ED. Buzzell ha spiegato:

“Per prendere un pattino fuori servizio per fare un clean-in-place, nulla cambia davvero . La nostra portata e l’acqua del prodotto rimarrebbero le stesse. Il sistema applicherebbe solo più energia ai moduli che stanno trattando il flusso aumentato. Facciamo la nostra operazione CIP sul modulo che è fuori servizio, riportarlo in linea, e passare a quello successivo.”

Poiché non è necessario considerare la capacità persa, i programmi CIP sono facili da mantenere con ED. Inoltre, la manutenzione fisica è “un po’ più semplice nel complesso”, secondo Buzzell.

Impronta regolabile

Infine, la sintonizzabilità di ED consente agli operatori di funzionare a maggiore potenza e ridurre il loro ingombro fisico; o, al contrario, di aumentare il numero di moduli e mantenere basso il consumo energetico. Tale flessibilità è più vantaggiosa laddove l’impronta o l’energia sono un prodotto particolarmente costoso, ad esempio il prezzo premium per lo spazio a bordo di navi e piattaforme offshore. Se sia il tempo che lo spazio equivalgono a denaro, gli ultimi due vantaggi parlano dei risparmi sui costi che la” sintonizzabilità ” comporta.

Il merito di aver ridotto il costo dell’ED è attribuibile a una nuova membrana a scambio ionico sviluppata da Evoqua e incorporata nei suoi moduli di desalinizzazione elettrochimica NEXED. Buzzell mi ha informato che la membrana non solo rompe le barriere di costo, ma migliora anche il design e le prestazioni di qualsiasi precedente membrana IX. Può anche essere utilizzato per la desalinizzazione dell’acqua di mare nei prossimi anni, ma questo non è l’obiettivo attuale dell’azienda (anche se una prospettiva eccitante). Per ora, la rinascita ED di Evoqua è incentrata su particolari applicazioni di acqua salmastra-da 2.000 a 15.000 ppm, principalmente industriali-dove i benefici sopra elencati possono eclissare RO. Le opportunità per il futuro dipenderanno da come la tecnologia si comporta in questa prima fase, e non c’è posto migliore per determinare “bang for the buck” rispetto al settore privato.