Come concentrare una soluzione: i mille approcci per i mille casi (parte I)

Un lettore di Chimicare ci scrive per domandarci quali approcci possono essere seguiti per concentrare una soluzione.
pigmento in soluzione a diverse concentrazioniCi ho pensato un po’ su, per cercare di enumerare brevemente le tecniche disponibili; poi mi è venuto in mente che non mi era stato detto di quale solvente si trattasse, e neppure se fosse liquido, gassoso o solido (ebbene sì, perché le soluzioni possono aversi in ciascuno stato della materia), ed infine quale fosse il soluto da concentrare. In altre parole se esso, considerato allo stato puro ed in condizioni di temperatura e pressione ambiente, fosse stato a sua volta un solido, un liquido o un aeriforme, ed infine in suo peso molecolare, il suo punto di ebollizione, la sua stabilità termica, la sua polarità, le sue proprietà elettrolitiche…
In pratica più ci pensavo, più mi accorgevo che da un lato le tecniche disponibili erano molte ed utilizzabili secondo molteplici accorgimenti, dall’altra che questa molteplicità diciamo così “nell’offerta” tecnologica era motivata semplicemente dal fatto che la domanda stessa era al suo interno drammaticamente diversificata.

La concentrazione di una soluzione, infatti, può essere ritenuta come un sotto-caso, a dire il vero uno dei più importanti, all’interno della cosiddetta Scienza delle Separazioni.
20th ISSS 2014Un argomento questo oggetto di interi percorsi d’insegnamento universitari, in particolare nei corsi di laurea in chimica industriale ed in ingegneria chimica, di una moltitudine di pubblicazioni e di convegni periodici organizzati ormai in ogni nazione progredita (vedasi quello della SCI in Italia).
Perché in fondo “concentrare” qualcosa, anche al di fuori della chimica, significa semplicemente accrescerne la separazione da qualcos’altro, non fosse altro dallo spazio vuoto: nel caso di una soluzione, concentrare significa agire in direzione di una separazione delle molecole del soluto da quelle del solvente.
Questa separazione è imprescindibilmente legata alla tipologia di molecole del soluto e del solvente, ovvero alla loro struttura che, come sappiamo, ne determina in modo conseguenziale le proprietà chimiche e, forse ancor più importanti, nell’ambito della scienza delle separazioni, di quelle fisiche.

Il concetto di concentrazione è anche correlato con quello, ad esso per certi versi complemtare, di estrazione.   L’estrazione comporta quasi per definizione l’impiego di un mezzo terzo, diverso dal soluto e dal solvente, in pratica un “agente estraente”.  L’esito del processo è, come dice la parola stessa, un’estrazione, ovvero una rimozione del soluto dalla soluzione di partenza, con il suo trasferimento altrove, ad esempio in un altro tipo di solvente oppure su di un supporto solido, e questa estrazione può essere o non essere accompagnata da un incremento della concentrazione del soluto in questione rispetto al nuovo sistema del quale entra a far parte.   Di fatto, come avremo modo di osservare nella seconda parte dell’articolo, quella per estrazione può di fatto essere intesa come una delle possibili tecniche di concentrazione.

i diversi approcci alla concentrazione di un soluto

 

 

RIMOZIONE DEL SOLVENTE

Uno degli approcci più intuitivi ed utilizzati anche nella tradizione, diciamo “non scientifica”, è quello di rimuovere il solvente, totalmente o in parte, dal “sistema” rappresentato dalla soluzione.
Questa rimozione può essere a sua volta operata in diverso modo, a seconda delle caratteristiche del solvente, sempre considerate “per raffronto” con quelle del soluto da concentrare.


Rimozione del solvente in forma vapore

dilstillazione a pressione ambientale in laboratorio

dilstillazione a pressione ambientale in laboratorio

– L’evaporazione del solvente può avvenire previo riscaldamento, come nel caso di un distillatore, o anche di una soluzione lasciata al sole (es. l’acqua di mare nelle saline) quando la sua temperatura di ebollizione è nettamente inferiore a quella del soluto da recuperare, ed inoltre quest’ultimo non è soggetto a decomposizione, chimica o microbiologica, alla temperatura e nei tempi richiesti per il processo.

– L’evaporazione sotto vuoto è una particolare variante dell’evaporazione alla quale si ricorre quando la temperatura di ebollizione del solvente è criticamente alta, tanto da poter essere raggiunta con difficoltà nel contesto operativo corrente, o nel più dei casi tanto da mettere a rischio la preservazione dell’integrità molecolare del soluto. Con l’evaporazione sotto vuoto, realizzabile sotto forma di distillazione o di essiccazione, è possibile rimuovere il solvente ad una temperatura ben inferiore rispetto a quella che ne definisce il punto di ebollizione a pressione ambientale, tanto da rendere possibile l’ebollizione dell’acqua a 20°C, o addirittura dell’acqua allo stato solido, ovvero la sublimazione del ghiaccio, nella particolare variante di questo processo nota come Liofilizzazione.

dilstillatoone rotante sotto vuoto (allestimento da laboratorio)

dilstillatoone rotante sotto vuoto (allestimento da laboratorio)

E’ tuttavia importante sottolineare che l’evaporazione del solvente, anche qualora condotta sotto vuoto a temperature ridotte, assorbe calore dall’esterno. Se ad esempio facciamo evaporare acqua da un pallone sotto vuoto a 20°C, dopo un certo tempo sentiremo che l’esterno del pallone si è raffreddato e nel contempo la velocità dell’evaporazione diminuisce: questo è un segno che il sistema sta assorbendo calore dall’esterno e per favorire il proseguimento del processo dovremo consentire il rifornimento di questo calore. Non abbiamo timore di scaldare eccessivamente l’esterno di questo pallone: se il grado di vuoto è sufficiente a far bollire il solvente a 20°C, se noi scaldiamo l’esterno (per esempio con un bagnomaria) non a 20°C ma a 40°C, semplicemente renderemo più veloce l’ebollizione e quindi la rimozione del solvente, mentre la temperatura al suo interno resterà comunque stabilizzata sui 20°C, che sono appunto dettati dal grado di vuoto, praticato per esempio tramite un’apposita pompa a valle.


Separazione su membrane

Negli ultimi decenni, ed in particolare con un’impennata a partire dagli anni ’90, sono state sviluppate tecnologie di separazione molecolare basate su fogli di membrane dotate di una porosità talmente ridotta da essere confrontabile con quelle della taglia delle molecole stesse da separare. Queste tecnologie si rivolgono primariamente al settore industriale, ma negli ultimi tempi i costi di produzione e di ingegnerizzazione degli impianti si sono ridotte in modo tale da consentirne l’impiego anche a livello domestico, per esempio nella depurazione delle acque per uso potabile. Lo stato fisico sul quale lavorano abitualmente è quello liquido, ma applicazioni di nicchia esistono anche verso gli stati aeriformi.

differenza tra filtrazione tradizionale e tangenziale

differenza tra filtrazione tradizionale e tangenziale

Sono un’evoluzione su scala molecolare delle tecniche di filtrazione, con però una importante differenza non solo di dimensione ma anche di concetto: mentre con la filtrazione si separano sistemi già di per sé stessi non omogenei (con particelle non in soluzione, bensì in sospensione o in dispersione, o addirittura sedimentate), con le filtrazioni a membrana la separazione è comunque effettuata su specie chimiche in soluzione, siano esse quelle rappresentate dal soluto oppure dal solvente.
Dal punto di vista della discriminazione tra quanto riesce a passare dalla membrana, essendo di diametro molecolare inferiore alla porosità, possiamo classificare le tecniche di filtrazione a membrana in microfiltrazione (porosità più grossolana, per lo più con funzione debatterizzante), ultrafiltrazione (rimozione di macromolecole in soluzione, come ad esempio proteine, polisaccaridi, tannini, coloranti), nanofiltrazione (rimozione di piccole molecole organiche, zuccheri semplici, ecc) ed infine osmosi inversa.

spettro delle possibilità di discriminazione in base al tipo di membrana utilizzata

spettro delle possibilità di discriminazione in base al tipo di membrana utilizzata

Quest’ultima è per l’appunto una delle tecniche di concentrazione di un soluto da soluzioni acquose diluite in assoluto più economica disponibile sul mercato a livello industriale, e lavora bene a temperatura ambiente su soluti di diversa natura: dagli elettroliti forti, completamente dissociati in acqua, come i sali, ma anche in molecole idrosolubili non ioniche, come ad esempio gli zuccheri, gli acidi organici ed un’infinità di altre molecole organiche ed inorganiche. In tutti questi casi le molecole del soluto sono quel tanto più grandi, almeno nella loro conformazione più stabile e ricorrente in soluzione acquosa, rispetto alla sezione della porosità della membrana, da essere trattenute, mentre quelle del solvente vi passano attraverso… a meno naturalmente di utilizzare un solvente con dimensioni molecolari maggiori rispetto a quelle del soluto.

tipico impianto di filtrazione tangenziale a membrane

tipico impianto di filtrazione tangenziale a membrane

Anche se il processo può apparire inaspettatamente semplice, sono necessarie alcune fondamentali attenzioni affinché esso proceda senza bloccarsi dopo la prima goccia di prodotto trattato. In primo luogo, queste membrane non possono essere usate alla maniera dei filtri tradizionali, ad esempio ponendoli sul fondo di un contenitore o di un imbuto, con la massa di liquido che preme perpendicolarmente su di esse, in quanto in queste condizioni andrebbero solitamente incontro ad un intasamento pressoché immediato. Al contrario, esse sono utilizzabili al meglio attraverso la tecnica che viene definita come “filtrazione tangenziale”, un processo che comporta il continuo scorrimento ad alta velocità del liquido (riciclato su sé stesso o in parte rinnovato) in un sottile strato sul foglio di membrana, al fine di rimuovere dalla sua superficie con il flusso ogni traccia di molecole più grandi della porosità della membrana. Un altro accorgimento indispensabile è quello di mantenere un sufficiente differenziale di pressione tra il lato della membrana a monte (quello a contatto con la soluzione da trattare) e quello a valle, dal quale usciranno le molecole più piccole, che nel loro insieme prenderanno il nome di permeato. Questa pressione serve in primo luogo a vincere quella che appunto è nota come “pressione osmotica”, rappresentando la naturale tendenza di un soluto a muoversi nella direzione del riequilibrio delle concentrazioni, quindi dalle zone a concentrazione maggiore verso quelle a concentrazione minore: un processo questo del quale, con l’esercizio di una pressione sufficiente in testa all’alimentazione, possiamo ottenere appunto l’inversione.
osmosi diretta ed inversa
Spesso le tecniche di filtrazione a membrana, proprio ad iniziare dall’osmosi inversa, non sono utilizzate tanto per concentrare il soluto, quanto per ottenere il solvente in forma pura: è questo che capita negli impianti di purificazione dell’acqua tramite queste tecniche, compresi quelli per la sua demineralizzazione.

 

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