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acqua dal sale
un trucchetto in cerca di conferma
Mi è capitato di assistere ad un incontro tenutosi a Modena
sabato
scorso, nel ciclo "Oltre i Giardini", presso i giardini pubblici di
modena. Vi ero andato per ascoltare il professor Enzo Tiezzi,
dell'Università di Siena. Proprio quest'ultimo mi ha
riportato alla
mente un'idea, un gioco di prestigio, che ormai avevo dimenticato,
quando ha accennato al problema della reperibilità
dell'acqua potabile,
che sarà la causa dei prossimi conflitti tra nazioni.
In estrema sintesi, l'idea era: estrarre acqua dal sale!
Come?
Esiste un metodo per la purificazione e la potabilizzazione di acqua di mare o inquinata basato sulla osmosi inversa. In parole povere, si spreme l'acqua da purificare contro una membrana speciale, capace di "filtrare" i sali disciolti in essa. I sali rimangono da una parte della membrana, mentre l'acqua la oltrepassa purificandosi.
Il processo è ampiamente utilizzato per i più disparati scopi, come ad esempio fornire acqua potabile in caso di emergenza o per un lungo viaggio a bordo di una nave.
Tuttavia c'è un inconveniente: l'osmosi è detta appunto "inversa", poiché di norma l'acqua pura che si trova dall'altra parte della membrana tenderebbe a riattraversarla con violenza per unirsi all'acqua sporca!
Perciò occorre operare ad altissime pressioni, superiori a 27 atm, per contrastare la pressione che l'acqua pura esercita per riattraversare la membrana (detta "pressione osmotica").
L'energia per contrastare la tendenza naturale dell'acqua pura, che è di diluire l'acqua salata, proviene generalmente da motori a combustibili fossili oppure dalla rete elettrica nel caso di impianti fissi.
Dove sta l'inganno che ho in mente? Voglio associare ad una osmosi inversa una osmosi diretta che la sostenga e gli fornisca tutta l'energia, in modo da non dover ricorrere ad un generatore o alla rete elettrica.
L'energia per operare l'inversione osmotica che intendo utilizzare è quella immagazzinata nel sale. Sì, il comune sale da cucina contiene una notevole quantità di energia (in questo caso sarebbe più adatto dire che è una specie di "buco di entropia", una struttura organizzata ansiosa di assorbire entropia dall'esterno disperdendosi, ad esempio in acqua). E non c'è nessun mistero: l'energia di cui parlo proviene direttamente dal sole, che scalda le saline provocando una evaporazione di massa dell'acqua e l'organizzazione del sale in una struttura cristallina altamente regolare. In quella struttura c'è un pozzo di energia!!!
Il modo in cui intendo operare è semplice: la diluizione del sale ad opera di acqua più pura sviluppa una pressione molto elevata. Così elevata da essere varie volte superiore a quella necessaria a "spremere" l'acqua di mare contro una membrana per estrarne acqua pura.
Qui sento già qualcuno che grida all'inutilità: a che serve salare acqua per purificarne altra? Alla fine avrai sempre un bilancio sfavorevole o al limite equilibrato. Non ci si guadagna né si perde nulla: diluisci l'acqua A per purificare l'acqua B con la pressione sviluppata, ma alla fine il bilancio netto è 0.
L'obiezione è saggia, ma tutto dipende da dove prendo l'acqua che andrà a "sporcarsi" per fornire la pressione richiesta, ed a quale acqua essa si unirà nel processo. Entrambe le materie prime che voglio utilizzare sono poco costose ed estremamente comuni ovunque vi sia necessità di acqua desalificata: l'acqua di mare ed il sale.
Ora è meglio passare alle illustrazioni, che a parole è un po' complicato:
In estrema sintesi, l'idea era: estrarre acqua dal sale!
Come?
Esiste un metodo per la purificazione e la potabilizzazione di acqua di mare o inquinata basato sulla osmosi inversa. In parole povere, si spreme l'acqua da purificare contro una membrana speciale, capace di "filtrare" i sali disciolti in essa. I sali rimangono da una parte della membrana, mentre l'acqua la oltrepassa purificandosi.
Il processo è ampiamente utilizzato per i più disparati scopi, come ad esempio fornire acqua potabile in caso di emergenza o per un lungo viaggio a bordo di una nave.
Tuttavia c'è un inconveniente: l'osmosi è detta appunto "inversa", poiché di norma l'acqua pura che si trova dall'altra parte della membrana tenderebbe a riattraversarla con violenza per unirsi all'acqua sporca!
Perciò occorre operare ad altissime pressioni, superiori a 27 atm, per contrastare la pressione che l'acqua pura esercita per riattraversare la membrana (detta "pressione osmotica").
L'energia per contrastare la tendenza naturale dell'acqua pura, che è di diluire l'acqua salata, proviene generalmente da motori a combustibili fossili oppure dalla rete elettrica nel caso di impianti fissi.
Dove sta l'inganno che ho in mente? Voglio associare ad una osmosi inversa una osmosi diretta che la sostenga e gli fornisca tutta l'energia, in modo da non dover ricorrere ad un generatore o alla rete elettrica.
L'energia per operare l'inversione osmotica che intendo utilizzare è quella immagazzinata nel sale. Sì, il comune sale da cucina contiene una notevole quantità di energia (in questo caso sarebbe più adatto dire che è una specie di "buco di entropia", una struttura organizzata ansiosa di assorbire entropia dall'esterno disperdendosi, ad esempio in acqua). E non c'è nessun mistero: l'energia di cui parlo proviene direttamente dal sole, che scalda le saline provocando una evaporazione di massa dell'acqua e l'organizzazione del sale in una struttura cristallina altamente regolare. In quella struttura c'è un pozzo di energia!!!
Il modo in cui intendo operare è semplice: la diluizione del sale ad opera di acqua più pura sviluppa una pressione molto elevata. Così elevata da essere varie volte superiore a quella necessaria a "spremere" l'acqua di mare contro una membrana per estrarne acqua pura.
Qui sento già qualcuno che grida all'inutilità: a che serve salare acqua per purificarne altra? Alla fine avrai sempre un bilancio sfavorevole o al limite equilibrato. Non ci si guadagna né si perde nulla: diluisci l'acqua A per purificare l'acqua B con la pressione sviluppata, ma alla fine il bilancio netto è 0.
L'obiezione è saggia, ma tutto dipende da dove prendo l'acqua che andrà a "sporcarsi" per fornire la pressione richiesta, ed a quale acqua essa si unirà nel processo. Entrambe le materie prime che voglio utilizzare sono poco costose ed estremamente comuni ovunque vi sia necessità di acqua desalificata: l'acqua di mare ed il sale.
Ora è meglio passare alle illustrazioni, che a parole è un po' complicato:
1.
"Pistone osmotico", semplice meccanismo ad
"osmosi speculare" in cui un sistema ad osmosi diretta è
associato
simmetricamente ad un sistema ad osmosi inversa.
Dunque,
cerchiamo di capire come funziona questo aggeggio. Ci sono 4
sezioni, seppure A e D possano non essere fisicamente confinate: D
sarà connesso al rubinetto di uscita e A a quello di
ingresso. Vediamo il contenuto:
La soluzione B ha solo un modo per accogliere l'acqua in ingresso da A: espandersi, spostando il pistone B|C verso destra. Poiché C è incomprimibile, la pressione esercitata da A su B andrà a scaricarsi direttamente sulla membrana osmotica C|D.
Detta più semplicemente, affinché B si possa espandere accogliendo l'acqua proveniente da A, qualcosa deve uscire dal lato opposto del pistone. Il lato opposto del pistone è nella fattispecie bloccato dalla membrana C|D, che lascierà passare solo l'acqua!
Il gioco è fatto: consumo sale nel vano B, perché esso viene diluito dall'acqua di mare. Poco male: sono entrambi a buonissimo mercato dove scarseggia l'acqua! Questo disciogliemnto provoca una espansione di B, che si traduce in pressione sulla membrana C|D: una pressione talmente potente da invertire l'osmosi dell'acqua pura verso l'acqua di mare. In tal modo, diluendo sale ottengo acqua potabile da acqua di mare!
Non vi fidate? Come facciamo ad essere sicuri che la pressione provocata dalla diluizione di acqua satura con acqua di mare sia sufficiente a espellere acqua pura attraverso C|D?
Semplice! Calcoliamolo:
PV=nRT -» P=RT·n/V -» P=C·RT (formula per la pressione osmotica)
P= pressione osmotica; n= numero di moli in soluzione; V= volume della soluzione; C=n/V molarità della soluzione; R=0,082atm·l/(mol·K); T=293K (temperatura)
Pressione osmotica di acqua di mare veso acqua pura:
Pm=27 atm
Pressione osmotica di acqua satura verso acqua pura:
Ps=RT·C=0,082 atm·l/mol·K · 293K · 358 g/l / 58,4 g/mol = 147,28 atm
Pressione in ingresso alla membrana A|B:
Pi=PsB - PmA = 147,28 atm - 27 atm = 120 atm
Ciò significa che l'acqua di mare spinge su quella salata con ben 120 atm, per poter entrare. Queste 120atm si propagano all'altro lato del pistone, sulla membrana C|D. Qui trova la pressione osmotica dell'acqua di mare verso l'acqua pura, che contrasta la fuoriuscita di acqua pura da C|D. Tale pressione ammonta semplicemente a 27atm: è la sua definizione!
Dunque, la pressione totale che spinge l'acqua verso l'esterno di C|D è di ben:
Pt=120 atm - 27atm = 93 atm
Una pressione di 93atm è ampiamente superiore ad ogni pressione utilizzata in apparecchi industriali mossi da motori a scoppio o elettrici!!!
La difficoltà sta nello sfruttare questo gioco di prestigio per progettare un macchinario che lavori in continuo: l'acqua contenuta in C si concentra rapidamente, fino al raggiungimento dell'equilibrio di pressione con la membrana A|B o finché il processo non diventa lentissimo. Inoltre anche la soluzione in B si diluisce, facendo perdere potenza al "motore" osmotico del pistone.
Ci vuole quindi un modo per ricambiare l'acqua di mare in C, togliere l'acqua in eccesso da B e rifornire il vano con nuovo combustibile, cioè sale marino.
Che ve ne pare?
- A: Contiene acqua di mare.
La pressione osmotica di quest'acqua è 27 atm, nei confronti
di acqua pura. Ciò significa che acqua pura messa in
contatto con acqua di mare attraverso una membrana osmotica tende a
penetrare la membrana per diluire l'acqua di mare sviluppando una
pressione di 27 atm.
- B: Contiene acqua satura di
sale marino. Essa è connessa sul lato sinistro al vano A
contenente acqua di mare tramite la membrana osmotica A|B. Sul lato
destro è limitata da un pistone mobile. Onde mantenere la
soluzione satura vi è anche del sale solido.
- C: La soluzione C si trova al di là del pistone, ed è anch'essa acqua di mare identica a quella presente nel vano A. A destra di C c'è una membrana che conduce a
- D, ovvero l'acqua pura, depurata dal passaggio attraverso la membrana C|D.
La soluzione B ha solo un modo per accogliere l'acqua in ingresso da A: espandersi, spostando il pistone B|C verso destra. Poiché C è incomprimibile, la pressione esercitata da A su B andrà a scaricarsi direttamente sulla membrana osmotica C|D.
Detta più semplicemente, affinché B si possa espandere accogliendo l'acqua proveniente da A, qualcosa deve uscire dal lato opposto del pistone. Il lato opposto del pistone è nella fattispecie bloccato dalla membrana C|D, che lascierà passare solo l'acqua!
Il gioco è fatto: consumo sale nel vano B, perché esso viene diluito dall'acqua di mare. Poco male: sono entrambi a buonissimo mercato dove scarseggia l'acqua! Questo disciogliemnto provoca una espansione di B, che si traduce in pressione sulla membrana C|D: una pressione talmente potente da invertire l'osmosi dell'acqua pura verso l'acqua di mare. In tal modo, diluendo sale ottengo acqua potabile da acqua di mare!
Non vi fidate? Come facciamo ad essere sicuri che la pressione provocata dalla diluizione di acqua satura con acqua di mare sia sufficiente a espellere acqua pura attraverso C|D?
Semplice! Calcoliamolo:
PV=nRT -» P=RT·n/V -» P=C·RT (formula per la pressione osmotica)
P= pressione osmotica; n= numero di moli in soluzione; V= volume della soluzione; C=n/V molarità della soluzione; R=0,082atm·l/(mol·K); T=293K (temperatura)
Pressione osmotica di acqua di mare veso acqua pura:
Pm=27 atm
Pressione osmotica di acqua satura verso acqua pura:
Ps=RT·C=0,082 atm·l/mol·K · 293K · 358 g/l / 58,4 g/mol = 147,28 atm
Pressione in ingresso alla membrana A|B:
Pi=PsB - PmA = 147,28 atm - 27 atm = 120 atm
Ciò significa che l'acqua di mare spinge su quella salata con ben 120 atm, per poter entrare. Queste 120atm si propagano all'altro lato del pistone, sulla membrana C|D. Qui trova la pressione osmotica dell'acqua di mare verso l'acqua pura, che contrasta la fuoriuscita di acqua pura da C|D. Tale pressione ammonta semplicemente a 27atm: è la sua definizione!
Dunque, la pressione totale che spinge l'acqua verso l'esterno di C|D è di ben:
Pt=120 atm - 27atm = 93 atm
Una pressione di 93atm è ampiamente superiore ad ogni pressione utilizzata in apparecchi industriali mossi da motori a scoppio o elettrici!!!
La difficoltà sta nello sfruttare questo gioco di prestigio per progettare un macchinario che lavori in continuo: l'acqua contenuta in C si concentra rapidamente, fino al raggiungimento dell'equilibrio di pressione con la membrana A|B o finché il processo non diventa lentissimo. Inoltre anche la soluzione in B si diluisce, facendo perdere potenza al "motore" osmotico del pistone.
Ci vuole quindi un modo per ricambiare l'acqua di mare in C, togliere l'acqua in eccesso da B e rifornire il vano con nuovo combustibile, cioè sale marino.
Che ve ne pare?
