Un gruppo di ricercatori cinesi ha sviluppato una nuova membrana in grado di separare simultaneamente emulsioni di olio in acqua e di acqua in olio. Secondo i risultati sperimentali presentati dagli sviluppatori, il sistema ha raggiunto un’efficienza di separazione superiore al 99,9%. La tecnologia, descritta in uno studio pubblicato su Nature Water con il titolo Synchronous and parallel separation of opposing emulsions enabled by a heterowettability membrane, potrebbe trovare applicazione nel trattamento delle acque reflue provenienti da raffinerie, impianti petroliferi, industrie chimiche, stabilimenti metallurgici e altri processi industriali.
La vera difficoltà sono le emulsioni:
Separare acqua e olio è relativamente semplice quando i due liquidi formano strati distinti. Il problema diventa molto più complesso quando si trasformano in un’emulsione, con minuscole gocce disperse che possono rimanere sospese a lungo. La presenza di tensioattivi, composti organici e altre sostanze può stabilizzare ulteriormente queste miscele. Esistono inoltre due configurazioni principali:
- olio disperso nell’acqua;
- acqua dispersa nell’olio.
Ognuna richiede generalmente una strategia di separazione diversa. Una membrana progettata per lasciar passare l’acqua e respingere l’olio, infatti, non è necessariamente adatta a trattare una miscela in cui la fase continua è costituita dall’olio. Per questo motivo, i sistemi tradizionali spesso richiedono membrane differenti, processi consecutivi o più stadi di trattamento. La nuova soluzione mira a superare questo limite attraverso un unico dispositivo capace di gestire entrambe le tipologie di emulsione in modo simultaneo e continuo.
Una membrana con zone idrofile e idrofobiche:
La tecnologia si basa su una membrana caratterizzata da una bagnabilità eterogenea. La sua superficie non presenta lo stesso comportamento in ogni punto, ma combina regioni con proprietà diverse nei confronti dei liquidi. Le zone idrofile mostrano affinità per l’acqua, mentre quelle idrofobiche tendono a respingerla e a interagire più facilmente con l’olio. La distribuzione di queste aree genera percorsi preferenziali per le due fasi. Non si tratta semplicemente di affiancare due filtri diversi. La disposizione delle zone idrofile e idrofobiche, insieme alla geometria interna del dispositivo, consente di indirizzare acqua e olio lungo traiettorie separate all’interno della stessa membrana.
Canali progettati per rompere l’emulsione:
Prima di separare acqua e olio è necessario destabilizzare le gocce che costituiscono l’emulsione. A questo scopo, il sistema integra un modulo dotato di canali con restringimenti progressivi e un gradiente bidirezionale. Durante il passaggio del fluido, le condizioni di scorrimento cambiano gradualmente. Si genera così un campo di taglio non uniforme che favorisce la destabilizzazione delle gocce disperse e facilita la desemulsificazione quando queste raggiungono la membrana. A questo punto entra in gioco la bagnabilità selettiva della superficie. Le diverse regioni della membrana guidano ciascuna fase verso la direzione corretta, mentre la geometria dei canali e le differenze di pressione contribuiscono a impedire che acqua e olio attraversino le aree destinate all’altra fase.
Il processo combina tre meccanismi principali:
destabilizzazione delle gocce;
trasporto selettivo dei liquidi;
separazione fisica delle due fasi.
Tutto avviene all’interno dello stesso dispositivo.
Separazione simultanea e funzionamento continuo
Le tecnologie a membrana tradizionali sono generalmente ottimizzate per un solo tipo di emulsione. Quando cambia la fase continua, può essere necessario sostituire la membrana, modificarne le proprietà superficiali o aggiungere un ulteriore passaggio di trattamento. Questo comporta l’utilizzo di più apparecchiature, tubazioni, pompe e sistemi di controllo, aumentando la complessità dell’impianto. La nuova architettura è stata progettata per ricevere emulsioni con caratteristiche opposte e separarle contemporaneamente, in parallelo e in modo continuo. Una soluzione di questo tipo potrebbe essere particolarmente utile negli impianti in cui la composizione degli scarichi varia nel tempo o dove vengono prodotte diverse correnti contaminate.
Una possibile maggiore resistenza all’intasamento:
Il fenomeno dell’intasamento, noto anche come fouling, è uno dei principali problemi associati all’impiego delle membrane. Oli, particelle, sali e composti organici possono depositarsi progressivamente sulla superficie, riducendo il flusso e rendendo necessarie frequenti operazioni di pulizia o sostituzione. Secondo i ricercatori, la nuova configurazione mostra una maggiore resistenza al fouling e una migliore stabilità durante il funzionamento prolungato. Questa caratteristica potrebbe contribuire a ridurre le interruzioni operative e i costi di manutenzione. I risultati devono tuttavia essere valutati con prudenza. Un comportamento positivo in condizioni sperimentali non dimostra automaticamente che la membrana manterrà le stesse prestazioni per mesi o anni a contatto con acque industriali reali. In questi ambienti possono essere presenti tensioattivi, particelle, sali, variazioni di temperatura e miscele chimiche complesse, difficili da riprodurre pienamente in laboratorio.
L’evoluzione della ricerca sulla separazione di acqua e olio Il nuovo sistema si inserisce in una linea di ricerca già in sviluppo. Nel 2024, ricercatori dell’Università di Zhejiang avevano presentato una strategia chiamata Janus Channel of Membranes, basata su membrane con comportamenti opposti per recuperare contemporaneamente acqua e olio. In determinate condizioni sperimentali, quel sistema aveva permesso di recuperare circa il 97% dell’olio e il 75% dell’acqua, raggiungendo livelli di purezza fino al 99,9%. La nuova ricerca segue un approccio diverso: integra proprietà di bagnabilità differenti all’interno della stessa membrana e le combina con una geometria dei canali progettata per favorire la rottura delle emulsioni. Questi sviluppi mostrano come la separazione di acqua e olio stia superando il semplice concetto di filtrazione. L’attenzione si concentra sempre più sul controllo del movimento delle gocce, delle loro interazioni con le superfici e dei percorsi seguiti dalle diverse fasi. Una membrana in grado di separare simultaneamente emulsioni opposte potrebbe essere utilizzata in diversi settori, tra cui:
Possibili applicazioni industriali:
raffinerie e impianti petrolchimici;
estrazione e lavorazione del petrolio;
industria chimica;
lavorazione e trattamento dei metalli;
impianti di depurazione delle acque reflue;
processi industriali che generano scarichi contenenti oli.
La possibilità di recuperare l’olio rappresenta inoltre un potenziale vantaggio economico e ambientale. Una parte del materiale oggi considerato rifiuto potrebbe diventare una risorsa riutilizzabile, se la qualità dell’olio recuperato fosse compatibile con il processo produttivo.
L’obiettivo non sarebbe quindi soltanto ottenere acqua più pulita, ma anche recuperare entrambe le fasi, ridurre la produzione di rifiuti secondari e diminuire il consumo di energia e reagenti chimici.
Quali benefici per l’ambiente?
La contaminazione da idrocarburi non deriva esclusivamente da grandi sversamenti visibili. Una parte significativa dell’inquinamento industriale è costituita da piccole gocce d’olio disperse in grandi quantità d’acqua: una forma di contaminazione meno evidente, ma molto difficile da rimuovere.
Una separazione più efficiente potrebbe ridurre la quantità di idrocarburi destinata alle fasi successive di depurazione e limitare il rischio che queste sostanze raggiungano fiumi, laghi e altri ambienti acquatici.
La tecnologia potrebbe inoltre favorire il riutilizzo dell’acqua all’interno degli stessi processi industriali. Qualora la qualità dell’acqua trattata fosse sufficiente, alcune aziende potrebbero chiudere parzialmente i propri cicli produttivi e ridurre il prelievo di acqua dolce.
Il bilancio ambientale complessivo dipenderà però da diversi fattori che il solo dato sull’efficienza di separazione non è in grado di descrivere: il consumo energetico, la durata della membrana, i prodotti necessari per la pulizia, i materiali utilizzati per fabbricarla e la gestione del dispositivo al termine della sua vita utile.
La sfida della transizione dal laboratorio all’industria
Il principale interesse della ricerca risiede nella possibilità di semplificare i sistemi di trattamento. Se un’unica unità fosse in grado di sostituire più stadi destinati a emulsioni diverse, gli impianti potrebbero ridurre il numero di apparecchiature, lo spazio occupato e parte dei costi legati al pompaggio e alla manutenzione. Una membrana di questo tipo potrebbe anche adattarsi meglio alle variazioni degli scarichi industriali, la cui composizione cambia in base alle materie prime, ai prodotti realizzati e alle condizioni operative.
Un’ulteriore possibilità consiste nell’integrare la tecnologia in circuiti chiusi per il trattamento dell’acqua industriale, recuperando separatamente acqua e olio e reintroducendo ciascuna corrente nel processo quando la qualità lo consenta. Meno acqua nuova, meno rifiuti e una maggiore quantità di materiali recuperati: è questo il potenziale della nuova tecnologia. La prova decisiva arriverà quando le membrane verranno testate per lunghi periodi e su grandi volumi di acque reflue reali. Sarà allora possibile stabilire se questa soluzione potrà diventare un’alternativa concreta, flessibile e sostenibile per la separazione industriale di acqua e olio.
Fonte: https://www.nature.com/articles/s44221-026-00703-z
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