Nanofiltrazione e ultrafiltrazione, ai confini della depurazione

15 Ottobre 25

Ultrafiltrazione e nanofiltrazione nascono dall’incontro tra la chimica e la fisica dei materiali. Parliamo di soluzioni concrete che riscrivono il concetto stesso di acqua trattata: vediamo insieme perché. C’è una soglia invisibile oltre la quale la depurazione tradizionale non arriva. È il punto in cui le molecole diventano troppo piccole per essere catturate, troppo complesse per essere degradate. Queste molecole, spesso presenti in concentrazioni di pochi nanogrammi per litro, derivano da fonti diffuse: residui di farmaci, detergenti, pesticidi, composti cosmetici, microplastiche. Gli impianti biologici tradizionali riescono a degradarne solo una parte. Per intercettare ciò che resta, serve un approccio più fine, capace di separare e selezionare a livello molecolare.

È in questo scenario che si collocano le tecnologie a membrana, in particolare quelle per ultrafiltrazione e nanofiltrazione. Soluzioni che nascono dai bisogni di ambiti industriali anche molto distanti tra loro, come quello chimico, alimentare, farmaceutico e che rappresentano la nuova frontiera per la gestione sostenibile delle acque reflue. Il principio alla base è semplice: lasciare passare solo l’acqua, trattenendo tutto il resto. L’applicazione, però, è tutt’altro che banale, e richiede competenze ingegneristiche, conoscenza approfondita dei materiali di ultima generazione e un approccio sistemico al problema.

Come funzionano ultrafiltrazione e nanofiltrazione

L’ultrafiltrazione (UF) è una tecnica di separazione fisica basata su membrane porose: il fluido le attraversa grazie a una differenza di pressione. Le dimensioni dei pori (dell’ordine di poche decine di nanometri) permettono il passaggio di molecole piccole e acqua, trattenendo invece colloidi, proteine, virus, batteri e solidi sospesi. Il risultato è un’acqua limpida, priva di torbidità e di carica microbica, ma che contiene ancora sostanze disciolte da trattare in modo selettivo.

È qui che entra in gioco la nanofiltrazione (NF), spesso utilizzata in combinazione o in successione all’ultrafiltrazione, quando l’obiettivo è spingersi oltre la semplice rimozione di particelle o colloidi. Le sue membrane, con pori inferiori ai due nanometri, agiscono su scala molecolare attraverso un doppio meccanismo: dimensionale (le molecole troppo grandi vengono fisicamente trattenute) ed elettrostatico, che respinge le specie cariche in base alla polarità superficiale della membrana.

In questa configurazione, la nanofiltrazione completa il lavoro dell’ultrafiltrazione, trattenendo ioni multivalenti, metalli pesanti, molecole organiche complesse e composti aromatici che sfuggono ai filtri più grossolani. Dal punto di vista energetico, richiede pressioni operative superiori, ma offre una resa intermedia tra l’ultrafiltrazione e l’osmosi inversa, con un equilibrio favorevole tra efficacia e consumo energetico. È una tecnologia di frontiera, capace di adattarsi sia come stadio finale di affinamento, sia come processo autonomo quando l’acqua in ingresso è già sufficientemente trattata.

Come ogni tecnologia, anche le membrane presentano delle criticità. Il principale limite operativo è il fouling, cioè l’accumulo di materiale sulla superficie che ostruisce i pori e riduce il flusso. Per prevenirlo si adottano lavaggi periodici, pretrattamenti accurati e materiali innovativi con superfici antifouling, spesso realizzati in compositi polimerici o ceramici. In parallelo, si sperimentano configurazioni ibride (membrane con rivestimenti catalitici, superfici auto-pulenti, o modulazioni dinamiche del flusso) per prolungare la vita utile delle membrane stesse e garantire performance costanti.

Il ruolo delle membrane nella rimozione dei microinquinanti

La vera rivoluzione delle tecnologie a membrana è nella loro capacità di affrontare ciò che finora sfuggiva: i microinquinanti. Composti chimici come diclofenac, carbamazepina, benzotriazolo, PFAS, anche a concentrazioni infinitesimali, sono ormai riconosciuti come minacce persistenti.

I trattamenti convenzionali come sedimentazione, flocculazione e ossidazione biologica, non riescono a eliminarli completamente perché non li riconoscono come substrati degradabili. Le membrane, invece, operano su parametri fisici, non biologici: la separazione è indipendente dalla biodegradabilità del composto.

Spesso l’ultrafiltrazione funge da primo stadio, bloccando microrganismi e particolato e stabilizzando la qualità dell’acqua. La nanofiltrazione, collocata a valle, agisce come barriera molecolare, trattenendo le sostanze disciolte più complesse. In questa configurazione sequenziale, nota come UF–NF, si ottiene una rimozione combinata di microinquinanti, sostanze organiche e ioni multivalenti con tassi di efficienza che possono superare l’80 o addirittura il 90%, secondo diversi studi europei.

Ad esempio, un test con 15 membrane commerciali ha mostrato che membrane come NF 90, NF 270 e TS80 sono in grado di trattenere fino al 90 % dei micropollutanti organici anche in condizioni operative realistiche, confermando come alcune NF “best-in-class” possano davvero fare la differenza.

Il beneficio non è solo qualitativo. Le membrane consentono di raggiungere standard conformi al Regolamento UE 2020/741 sul riuso delle acque reflue trattate, che stabilisce parametri più restrittivi per il riutilizzo in agricoltura e industria. In molti impianti pilota, la NF è già parte integrante dei processi di riutilizzo idrico e dei circuiti industriali a ciclo chiuso, dove il controllo dei microinquinanti è essenziale per proteggere le catene produttive e ridurre gli sprechi.

Applicazioni e limiti: dove ultrafiltrazione e nanofiltrazione fanno la differenza

In ambito urbano, l’ultrafiltrazione è oggi impiegata in depuratori di nuova generazione e nei bioreattori a membrana (MBR). In questi sistemi, la membrana sostituisce il sedimentatore finale, consentendo una separazione continua dei fanghi e una qualità di effluente superiore. I vantaggi sono una minore impronta fisica dell’impianto, un controllo più stabile del processo e una riduzione della produzione di fango.

La nanofiltrazione, invece, trova largo impiego nel settore industriale, dove le acque contengono sostanze non biodegradabili o ad alta conducibilità. La NF permette di rimuovere sali, coloranti, metalli e solventi con elevata selettività. È utilizzata anche nel trattamento dei percolati di discarica, dove costituisce una delle poche barriere capaci di gestire contaminanti complessi e persistenti.

Non mancano tuttavia i limiti: costi d’impianto, gestione del concentrato di scarto, manutenzione. Ogni litro di acqua trattata produce una piccola frazione di retentato che deve essere smaltito o ulteriormente trattato, pena lo spostamento del problema da una fase all’altra. L’efficienza del sistema, dunque, si misura non solo dalla qualità del permeato ma anche dalla sostenibilità complessiva del ciclo.

La spinta europea verso la rimozione dei microinquinanti

L’attenzione verso i microinquinanti non nasce dal caso. La nuova Direttiva Europea sulle Acque Reflue Urbane, approvata nel 2024 e in fase di recepimento, introduce per la prima volta l’obbligo di rimuovere residui farmaceutici e cosmetici attraverso trattamenti avanzati. Si tratta di un salto normativo che trasforma le membrane da semplice opzione tecnologica a requisito di conformità.

In parallelo, la Strategia europea per la resilienza idrica e il piano “Zero Pollution” spingono verso impianti a basso impatto energetico ma ad alta efficienza di separazione. È in questo contesto che la nanofiltrazione e l’ultrafiltrazione trovano il loro spazio naturale: un ponte tra l’innovazione industriale e la sicurezza ambientale.

Verso la depurazione del futuro: sistemi ibridi e materiali intelligenti

La direzione più promettente è quella dell’integrazione. Combinando ultrafiltrazione e nanofiltrazione con processi di ossidazione avanzata o adsorbimento selettivo, si ottengono sistemi ibridi capaci di rimuovere anche molecole neutre o scarsamente polari.

Esperienze europee confermano l’efficacia di questo approccio. In un pilota condotto nel nord della Spagna su acque reflue municipali, una catena UF seguita da membrana a osmosi inversa e ossidazione elettrochimica ha consentito di abbattere farmaci come naprossene e ofloxacina fino a livelli non rilevabili, mostrando come la logica “a barriere successive” possa spingersi fino alla completa eliminazione dei contaminanti emergenti.

Proprio in questa direzione si muovono i progetti più recenti su sistemi ibridi UF–NF–AOP, dove la nanofiltrazione svolge la funzione di barriera selettiva intermedia, riducendo il carico chimico e alleggerendo la domanda di ossidanti. È una visione che trasforma la depurazione in un processo dinamico, in cui ogni stadio non lavora più da solo, ma in sinergia con gli altri.

Membrane intelligenti: nuovi materiali per una depurazione più pulita

I materiali delle membrane si stanno evolvendo, dai polimeri tradizionali si passa oggi a compositi avanzati con rivestimenti in grafene, ossidi di titanio o silice, capaci di ridurre il fouling e aumentare la selettività. Alcuni centri europei stanno sviluppando membrane fotocatalitiche che combinano filtrazione e ossidazione diretta, degradando i microinquinanti già sulla superficie.

Alcune ricerche stanno esplorando membrane biomimetiche ispirate ai canali delle acquaporine presenti nelle cellule viventi: strutture naturali capaci di lasciar passare solo molecole d’acqua, escludendo quasi ogni altra sostanza. Integrando queste proteine in film polimerici, si ottengono membrane ultraselettive e a basso consumo, unendo biologia e ingegneria nella depurazione del futuro.

Dal trattamento alla rigenerazione

La transizione ecologica passa anche da qui: dalla capacità di recuperare e riutilizzare l’acqua senza comprometterne la qualità. Le tecnologie a membrana rappresentano una delle risposte più solide a questa sfida. Con ultrafiltrazione e nanofiltrazione, la depurazione non è più un’operazione di fine ciclo, ma una fase di rigenerazione attiva, capace di restituire acqua pronta a nuovi usi e di ridurre l’impatto ambientale complessivo.

Queste tecnologie sono molto più di un’evoluzione tecnica: sono un passo avanti verso un modello di economia circolare dell’acqua, dove efficienza, innovazione e tutela ambientale si incontrano.

Il confine della depurazione, oggi, non è più un limite: è una soglia mobile che si sposta ogni volta che la tecnologia si avvicina un po di più a un’acqua pura e sostenibile.