Studio dei fenomeni di trasporto in materiali idrofilici e porosi per la dissalazione termica passiva. = Study on transport phenomena in hydrophilic and porous materials for passive thermal desalination

Le previsioni più attuali indicano che il problema della scarsità d’acqua potabile sarà sempre più rilevante nei prossimi anni, con un aumento del numero di regioni a rischio aridità. Ciò spinge a ricercare nuovi metodi sempre più efficienti per il trattamento delle acque, così da raggiungere una diversificazione delle relative fonti di approvvigionamento. L’acqua di mare costituisce il 97% delle risorse idriche in natura, tuttavia lo sviluppo su larga scala delle tecniche di dissalazione tradizionali è stato ostacolato da costi elevati e dagli oneri per mantenerne efficiente l’operatività. Nel 2018, il gruppo di ricerca SMaLL ha realizzato e testato un dissalatore passivo di piccole dimensioni alimentato da energia solare, mettendo in evidenza la buona concordanza dei risultati teorici con quelli sperimentali. Il prototipo è economicamente ed ecologicamente sostenibile, modulare ed espandibile, privo di componenti meccanici in movimento soggetti a maggiore usura. L’obiettivo di questo studio è investigare i fenomeni di trasporto che interessano il componente evaporatore, così da stabilirne i parametri progettuali, le condizioni di funzionamento ottimali ed eventuali limiti, nell’ottica di estendere su scala maggiore (eventualmente industriale) l’impiego del prototipo sviluppato. Nel dettaglio, lo studio si è focalizzato sulle proprietà capillari dei materiali porosi, su cui si basa il funzionamento del dispositivo. I principali software di cui si è fatto impiego per la modellazione numerica sono Matlab, Simulink e Wolfram. I risultati mostrano che parte della pressione capillare associata al diametro dei pori è necessaria alla risalita capillare dell’acqua salata fino ad una determinata altezza; un’altra parte, invece, permette il costante flusso di acqua in ingresso all’evaporatore. La dimensione ottimale dei pori risulterà da un compromesso fra la pressione capillare fornita e le perdite viscose associate, evitando al contempo condizioni di dry-out del mezzo poroso nelle condizioni di funzionamento. Lo studio si focalizza sia sulle condizioni di equilibrio del dissalatore passivo sia su quelle transitorie, ad esempio riscontrate durante il suo avvio. Nella tesi si conduce infine un’analisi inerente all’accumulo di sale nel dispositivo – aspetto cruciale per garantirne le prestazioni nel tempo – col fine di evitare fenomeni di cristallizzazione nei mezzi porosi capillari. Gli studi numerici svolti in questa tesi permettono di progettare in maniera ottimale gli stadi del dissalatore passivo, proponendo così possibili configurazioni alternative per mitigare le criticità riscontrate nella fase di prototipazione.