Alternativas a los procesos de desalinización del agua de mar

Uno de los retos más grandes que tiene la ingeniería química, es ofrecer alternativas realmente aplicables y viables al aprovechamiento del agua y a potabilizarla. Si bien es cierto, existe abundancia de agua en el planeta, el agua potable escasea cada día más. Es por ello, que los esfuerzos se centran en generar diferentes fuentes de obtención del agua potable.

Planta desalinizadora de Alicante. Imagen de iagua.es

La principal masa de agua del planeta es el mar. Sin embargo, la composición química del agua marina es perjudicial para los riñones del ser humano, haciendo inviable su consumo. No obstante, existen formas, algunas costosas, otras muy simples, de aprovechar el agua de mar como agua potable mediante diferentes procesos físico-químicos.

En este artículo veremos los principales procesos de desalinización del agua de mar y poder seleccionar alguno de ellos, en el caso de que se tenga un proyecto enfocado en esta área tan extensa de la potabilización de agua, así como también, veremos algunas alternativas novedosas a los procesos tradicionales de desalinización.

Tabla de contenidos

1. ✔¿Qué es la desalinización del agua de mar?
2. ✔Beneficios de la desalinización del agua de mar
3. ✔Principales puntos negativos de la desalinización del agua de mar
4. ✔Procesos tradicionales de desalinización del agua de mar
1. ✔Destilación
2. ✔Ósmosis inversa
5. ✔Alternativas a los procesos tradicionales de desalinización del agua de mar
1. ✔Desalinización por congelación
2. ✔Evaporación relámpago
3. ✔Electrodiálisis
6. ✔Otra alternativa a la desalinización del agua de mar

¿Qué es la desalinización del agua de mar?

Pasos de un proceso de desalinización de agua de mar por osmosis inversa. Imagen de sdcwa.org

La desalinización es un proceso que permite obtener agua dulce o potable, a partir de agua salada o salobre.

Las plantas industriales dedicadas a la desalinización del agua de mar son conocidas como plantas desalinizadoras, y por lo general extraen el agua directamente del mar o de lagos salados, siendo una de las opciones más utilizadas en zonas costeras donde no existen fuentes de agua dulce.

Otro concepto a tener en cuenta para entender los procesos de desalinización de agua de mar es el de presión osmótica, la cual es aquella presión requerida para que se establezca un equilibrio entre una solución concentrada en sales y otra solución menos concentrada en sales, separadas entre sí por una membrana semipermeable que permite el paso del líquido, pero no de los sólidos disueltos en éstos (sales disueltas).

Beneficios de la desalinización del agua de mar

Conociendo ya el concepto de desalinización del agua de mar, es momento de comentar algunos beneficios de este tipo de procesos de tratamiento de aguas:

1. El primer beneficio es el aprovechamiento directo de la principal fuente de agua del planeta, que es el mar, de modo que pueda producirse agua dulce para millones de personas sin tener que taladrar el suelo o desviar ríos u otras fuentes de agua. 
2. Hay que destacar que son procesos simples que no requieren grandes controles de equipos, por lo que se pueden operar plantas con personal reducido y de fácil entrenamiento. 
3. Son procesos que pueden ser extrapolados a hogares directamente, e incluso pueden ser ejecutados por máquinas portátiles lo que facilita el uso de la tecnología, aún en lugares remotos. 
4. Ofrece una alternativa frente a grandes períodos de sequía. Pueden utilizar fuentes de energía alternativa para operar eficientemente.

Principales puntos negativos de la desalinización del agua de mar

Una vez descritos los principales beneficios de la desalinización del agua de mar, es momento de describir los principales puntos negativos de este tipo de procesos tradicionales de desalinización, los cuales son los siguientes:

1. Pueden requerir cantidades de energía superiores a las principales plantas potabilizadoras de agua que encontramos comúnmente en ciudades y poblados.
2. Los residuos del proceso (salmueras o agua muy concentrada de sal) pueden ser altamente perjudiciales para el medio ambiente, creando un impacto ambiental negativo. Sin embargo, existen salidas viables para reducir este inconveniente, como mezclar las salmueras con otros afluentes de agua antes de liberarla al medio ambiente para diluir las concentraciones de sales. O simplemente, el aprovechamiento de estas salmueras para otras aplicaciones industriales.
3. Elevan las emanaciones de CO2, si la energía utilizada proviene de plantas termoeléctricas.
4. Se requiere tratamiento para las salmueras, por lo general, solventes de intercambio térmico para la extracción de sales en soluciones altamente concentradas.

Como pueden ver, son más los beneficios que los puntos negativos. Sin embargo, al tomar en cuenta su posible impacto ambiental negativo hay que realizar un buen estudio previo antes de iniciar el proceso de diseño o desarrollo de una planta desalinizadora de agua de mar.

Procesos tradicionales de desalinización del agua de mar

Actualmente, las plantas desalinizadoras de todo el mundo se basan en dos procesos principales y ambos procesos generan salmueras. Uno se basa en procesos físico-químicos, como es el caso de la destilación (separación sólido-líquido). Mientras que el otro método mundialmente utilizado, emplea el concepto de ósmosis inversa para lograr su propósito.

Destilación

Desalinización por destilación

Este proceso permite separar componentes o sólidos, como sales disueltas en líquidos mediante la aplicación de calor (intercambio térmico), lo que se traduce en fomentar una ebullición controlada para generar vapor, permitiendo que el agua entre en un proceso de equilibrio líquido-vapor (concepto básico de equilibrio termodinámico).

Dicho proceso permite recuperar el agua limpia o dulce mediante el enfriamiento del vapor generado durante la ebullición del agua salada. Es el proceso más antiguo y más popular en la desalinización de agua de mar, y se puede realizar mediante el aprovechamiento de la luz del sol, o mediante fuentes de calor provenientes de la quema de combustibles o de plantas termonucleares, e incluso se puede utilizar calor generado por efecto Joule (utilizando electricidad).

Adicionalmente, se realiza un procedimiento de filtrado previo a la destilación para ahorrar recursos en el uso de energía térmica requerida para la ebullición y obtener un agua más limpia y más fácil de destilar. La desalinización mediante destilación puede separarse o clasificarse en dos tipos, los cuales son:

• Desalinización térmica: Este proceso se basa en una destilación simple del agua de mar, la cual es llevada mediante bombeo a un reactor simple en presencia de aire, siendo un proceso por lotes en donde el agua de mar experimentará una elevación de temperatura (mediante cualquier fuente de calor ya sea artificial o solar) que genera el proceso de ebullición, el cual inicia la generación del vapor de agua libre de sales dañinas. El vapor se eleva a la parte superior del reactor y es extraído de éste mediante tuberías para luego ser condensado en una zona de intercambio térmico, obteniendo de esta forma el agua desalinizada en forma de condensado simple. Al finalizar el proceso de destilación queda el agua salada (salmuera) en la parte inferior del reactor, la cual es retirada de éste mediante tuberías ubicadas en el fondo de dicho reactor. Para finalizar el proceso por lotes se procede con la limpieza del reactor y la preparación de un nuevo lote de agua salada a destilar. Estos procesos en plantas desalinizadoras se hacen en reactores en paralelo para aprovechar la fuente térmica al máximo. El mismo principio es utilizado en destiladores caseros o en los destiladores de supervivencia.

• Destilación multi-etapa: Muchos de los procesos de destilación utilizan múltiples etapas, para de esta manera garantizar la calidad del agua que se va a suministrar a la población. Para ello, se realizan desalinizaciones térmicas una detrás de otra o en serie. La presión y temperatura de operación de cada una de las etapas va disminuyendo a medida que aumenta la etapa de destilación, con lo cual se obtienen condensados de agua más puros y libres de sales dañinas para el ser humano. Como podrán notar, es una optimización del proceso de destilación térmica tradicional.

Ósmosis Inversa

Sistemas de desalinización por osmosis inversa. Imagen de plaza.es

Este proceso hace uso de tanques separados en dos lados y de una membrana semipermeable que separa ambos lados del tanque donde se realizará la separación.

Para lograr el proceso se ejerce sobre el fluido o disolvente a separar una fuerza superior a la presión osmótica del agua, desde el lado del tanque donde tenemos el agua salada para que la solución se vea obligada a atravesar la membrana semipermeable, dejando las sales dañinas de este lado del tanque y se almacene agua dulce o desalinizada del otro lado del recipiente, ocurriendo una separación efectiva de sales disueltas y su disolvente (el agua), obteniendo un filtrado eficiente, dejando de un lado líquido concentrado en sales y del otro, un agua pura o muy pura.

Este proceso de desalinización de agua de mar es simple y eficiente, pero requiere energía para generar la presión requerida (presión superior a la presión osmótica), para la separación de las soluciones concentradas y diluidas. Dicha presión dependerá del grado de salinidad del agua de mar y del grado de desalinización deseado, lo que requiere un análisis previo de las concentraciones de sales y de contaminantes en el agua de mar a utilizar. Asimismo, se requiere energía para el bombeo del agua a la zona de osmosis Inversa y aguas abajo del proceso de desalinización.




Antes de iniciar el proceso de osmosis inversa el agua de mar es llevada a unas balsas o recipientes mediante gravedad, por lo general muy cerca a la playa. Una vez llenas estas balsas se hace pasar el agua por unidades de desbaste (generalmente, se utilizan rejas y tamices para este propósito) para eliminar sólidos de gran tamaño y basura.

Luego, se hace pasar el agua a través de filtros simples (proceso físico de separación sólido-líquido) para eliminar suspensiones, sales de gran tamaño y otros residuos sólidos que pueden ser eliminados mediante este tipo de procesos físicos.

Además, también puede hacerse pasar el agua por procesos físicos de trampas de grasa, así como, de precipitación de calcio y magnesio. Igualmente, puede hacerse uso de resinas de intercambio iónico para eliminar fluoruros y otros iones dañinos para el consumo humano. Luego, el agua de mar filtrada es bombeada a la zona de osmosis inversa.

En procedimientos más minuciosos y detallados, el agua una vez que sale del proceso de ósmosis inversa se hace pasar por carbón activado y por lámparas UV para una desinfección completa, o se utiliza algún desinfectante químico para luego ser utilizada para consumo humano.

Alternativas a los procesos tradicionales de desalinización del agua de mar

Las investigaciones y desarrollos actuales se centran en la búsqueda de procesos alternativos a la destilación y a la osmosis inversa, los cuales, pueden consumir menor cantidad de energía, mejorar el aprovechamiento de las salmueras y minimizar los desechos de alto impacto ambiental. Entra estas alternativas tenemos las siguientes:

Desalinización por congelación

Esta alternativa requiere un uso considerable de energía para realizar un cambio físico en el agua (cambio de estado líquido a sólido). El proceso consiste en pulverizar el agua de mar previamente tratada (filtrada en procesos previos similares al de la osmosis inversa y de destilación) en una cámara criogénica, de manera que se fomente la formación de cristales.

Dichos cristales se recolectan y separan para luego ser pasados por un proceso de limpieza con agua normal y de este modo, obtener agua dulce. Una derivación de este proceso es la congelación al vacío de agua de mar a una presión de 3 mm de Hg y -4 ̊C, produciéndose una evaporación seguida de un enfriamiento súbito que genera la congelación del agua. Debe aspirarse el vapor generado para mantener las condiciones de vacío dentro del reactor.




Su principal inconveniente, es que son considerables los problemas derivados de la compresión del gran volumen de vapor generado en el proceso a bajas presiones. Para mitigar un poco esto, se pueden utilizar gases refrigerantes con presiones de vapor superior a la del agua y que no sean miscibles con ésta, como por ejemplo, el butano.

La expansión de este gas orgánico genera la congelación parcial del agua de mar, disminuyendo los problemas de compresión de la congelación al vacío, una salida inteligente. Este proceso requiere menos energía que la destilación y no genera residuos de gran impacto ambiental como las salmueras.

Evaporación relámpago

Luego del proceso de tratamiento previo al agua de mar, ésta se hace pasar en forma de gotas a cámaras con condiciones controladas de presión (bajas presiones). En estas condiciones el agua súbitamente cambia de estado a gas saturado (vapor de agua), el cual es retirado de las cámaras mediante sistemas de tuberías y llevado a una zona de intercambio térmico, extrayendo el condensado de agua dulce.

Este proceso debe repetirse en serie hasta obtener el grado de desalinización deseado. Es un proceso práctico y limpio, ya que no genera salmueras que tengan que tratarse posteriormente para ser llevadas al mar nuevamente.

Electrodiálisis

Es uno de los procesos alternativos más novedosos. Requiere alta preparación técnica y quizás esta sea su mayor desventaja. Sin embargo, es muy atractivo ya que consiste en hacer pasar el agua de mar previamente tratada a un reactor controlado, donde una corriente eléctrica pasa a través de una solución iónica. Este proceso electroquímico captura el sodio desalinizando el agua de mar. Claro está, este proceso sí genera residuos (salmueras).

Otra alternativa a la desalinización del agua de mar

Sistemas alternativos de desalinización de agua de mar. Imagen de trendhunter.com

Esta alternativa es una investigación realizada en Ontario-Canadá, donde se aprovechan dos conceptos: El concepto de osmosis inversa, mediante el uso de una membrana semipermeable, la cual puede ser hecha en máquinas simples de perforación micro porosa sobre láminas de acetato o plástico y el uso de conceptos de electroquímica.

La idea de esta investigación se centra en la creación de una planta desalinizadora similar a una celda galvánica separada en dos recipientes mediante la membrana, utilizando electrodos a cada lado de la planta, como en una pila electroquímica mediante el aprovechamiento de potencial eléctrico fomentado por el uso de energía solar.

Es decir, la luz del sol fomentará el intercambio de iones a través de la solución salina mediante la membrana semi-permeable para obtener el agua potable en una celda y dejar en la otra celda la solución de agua salada concentrada.

Este método, aún en desarrollo y siendo algo parecido al de la electrodiálisis, promete incluso generar micro plantas para ser utilizadas en las casas. Es por ello, que recomiendo la investigación en el tema, ya que siempre hay formas alternativas de optimizar el proceso de osmosis inversa y combinarlo con otros conocimientos para potenciar el uso de las membranas semi-permeables, el cual a mi parecer sigue siendo el mejor de todos los métodos de desalinización actuales.

De desarrollarse esta combinación eficiente de conocimientos con electroquímica y separación sólido-líquido y líquido-líquido en procesos escalables, en los próximos años podríamos estar frente a una solución limpia, económica y práctica para otorgar agua potable a poblaciones vulnerables e incluso, a todo el mundo. Es un reto grande que tiene la ingeniería química por delante y que de seguro vamos a resolver en pocos años.

Hemos visto una guía bastante sencilla y práctica sobre los diferentes tipos de desalinización de agua de mar existentes y algunas alternativas a los procesos tradicionales. Para estudiarlos más detalladamente, a futuro podemos realizar entradas más completas y específicas sobre cada uno de estos procesos. Pueden dejarme sus comentarios indicando sus observaciones, sugerencias o si conocen otro método para poder exponerlo más adelante.


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