La desalinización es un proceso que elimina componentes minerales del agua salina . De manera más general, la desalinización es la eliminación de sales y minerales de una sustancia. [1] Un ejemplo es la desalinización del suelo . Esto es importante para la agricultura. Es posible desalar agua salada , especialmente agua de mar , para producir agua para consumo humano o riego . El subproducto del proceso de desalinización es la salmuera . [2] Muchos barcos y submarinos utilizan la desalinización. El interés moderno en la desalinización se centra principalmente en el suministro rentable de agua dulce para uso humano. Junto con las aguas residuales recicladas , es uno de los pocos recursos hídricos independientes de las precipitaciones. [3]
Debido a su consumo energético, la desalinización del agua de mar es generalmente más costosa que el agua dulce procedente de aguas superficiales o subterráneas , el reciclaje de agua y la conservación del agua ; sin embargo, estas alternativas no siempre están disponibles y el agotamiento de las reservas es un problema crítico en todo el mundo. [4] [5] Los procesos de desalinización utilizan métodos energéticos térmicos (en el caso de la destilación ) o métodos basados en membranas (por ejemplo, en el caso de la ósmosis inversa ). [6] [7] : 24
Una estimación de 2018 encontró que "18.426 plantas desalinizadoras están en funcionamiento en más de 150 países. Producen 87 millones de metros cúbicos de agua limpia cada día y abastecen a más de 300 millones de personas". [7] : 24 La intensidad energética ha mejorado: ahora es de unos 3 kWh/m 3 (en 2018), un factor de 10 menos que los 20-30 kWh/m 3 de 1970. [7] : 24 Sin embargo, la desalinización representó alrededor del 25% de la energía consumida por el sector del agua en 2016. [7] : 24
El antiguo filósofo griego Aristóteles observó en su obra Meteorología que "el agua salada, cuando se convierte en vapor, se vuelve dulce y el vapor no vuelve a formar agua salada cuando se condensa", y que un recipiente de cera fina contendría agua potable después de estar sumergido durante mucho tiempo. suficiente en agua de mar, habiendo actuado como membrana para filtrar la sal. [8]
Al mismo tiempo se registró en China la desalinización del agua de mar. Tanto el Clásico de las montañas y los mares de agua en el período de los Estados en Guerra como la Teoría del mismo año en la dinastía Han del Este mencionaron que la gente descubrió que las esteras de bambú utilizadas para cocinar arroz al vapor formaban una capa exterior delgada después de un uso prolongado. La película delgada formada tenía funciones de adsorción e intercambio iónico, que podían adsorber sal. [9]
Numerosos ejemplos de experimentación en desalinización aparecieron a lo largo de la Antigüedad y la Edad Media , [10] pero la desalinización a gran escala sólo fue factible en la era moderna. [11] Un buen ejemplo de esta experimentación proviene de Leonardo da Vinci (Florencia, 1452), quien se dio cuenta de que se podía producir agua destilada en grandes cantidades a bajo costo adaptando un alambique a una estufa. [12] Durante la Edad Media en otras partes de Europa Central, el trabajo continuó en el refinamiento de la destilación, aunque no necesariamente dirigido a la desalinización. [13]
La primera gran planta desalinizadora terrestre pudo haber sido instalada en condiciones de emergencia en una isla frente a la costa de Túnez en 1560. [13] [14] Se cree que una guarnición de 700 soldados españoles fue asediada por el ejército turco y que , durante el asedio, el capitán a cargo fabricó un alambique capaz de producir 40 barriles de agua dulce por día, aunque no se han informado detalles del dispositivo. [14]
Antes de la Revolución Industrial , la desalinización preocupaba principalmente a los barcos de navegación oceánica, que de otro modo necesitaban mantener a bordo suministros de agua dulce. Sir Richard Hawkins (1562-1622), que realizó extensos viajes por los Mares del Sur , informó que había podido suministrar a sus hombres agua dulce mediante destilación a bordo. [15] Además, a principios del siglo XVII, varias figuras destacadas de la época, como Francis Bacon y Walter Raleigh, publicaron informes sobre la desalinización. [14] [16] Estos informes y otros, [17] establecieron el clima para la primera disputa sobre patentes relativas a aparatos de desalinización. Las dos primeras patentes sobre desalinización de agua fueron aprobadas en 1675 y 1683 (patentes No.184 [18] y No. 226, [19] publicadas por William Walcot y Robert Fitzgerald (y otros), respectivamente). Sin embargo, ninguno de los dos inventos entró en servicio como consecuencia de dificultades de ampliación. [13] No se realizaron mejoras significativas en el proceso básico de destilación del agua de mar durante los 150 años transcurridos desde mediados del siglo XVII hasta el año 1800.
Cuando la fragata Protector fue vendida a Dinamarca en la década de 1780 (como barco Hussaren ), su alambique fue estudiado y registrado con gran detalle. [20] En los Estados Unidos, Thomas Jefferson catalogó los métodos basados en calor que se remontan al siglo XVI y formuló consejos prácticos que se publicaron a todos los barcos estadounidenses en el reverso de los permisos de autorización de navegación. [21] [22]
A partir de 1800, aproximadamente, las cosas empezaron a cambiar como consecuencia de la aparición de la máquina de vapor y la llamada era del vapor . [13] El conocimiento de la termodinámica de los procesos de vapor [23] y la necesidad de una fuente de agua pura para su uso en calderas [24] generaron un efecto positivo respecto a los sistemas de destilación. Además, la expansión del colonialismo europeo generó la necesidad de agua dulce en partes remotas del mundo, creando así el clima apropiado para la desalinización del agua. [13]
Paralelamente al desarrollo y mejora de los sistemas que utilizan vapor ( evaporadores de efecto múltiple ), este tipo de dispositivos demostraron rápidamente su potencial desalinizador. [13] En 1852, Alphonse René le Mire de Normandy recibió una patente británica para una unidad de destilación de agua de mar con tubo vertical que, gracias a su simplicidad de diseño y facilidad de construcción, ganó popularidad para su uso a bordo. [13] Las unidades terrestres no aparecieron de manera significativa hasta la segunda mitad del siglo XIX. [25] En la década de 1860, el ejército de los EE. UU. compró tres evaporadores Normandy, cada uno con una potencia de 7000 galones/día y los instaló en las islas de Key West y Dry Tortugas . [13] [25] [26] Otra planta terrestre se instaló en Suakin durante la década de 1880 que proporcionó agua dulce a las tropas británicas allí. Constaba de destiladores de seis efectos con una capacidad de 350 toneladas/día. [13] [25]
Después de la Segunda Guerra Mundial, se desarrollaron o mejoraron muchas tecnologías, como la desalinización Flash de múltiples efectos (MEF) y la desalinización Flash de múltiples etapas (MSF). Otra tecnología destacable es la desalinización por congelación y descongelación. [27] La desalinización por congelación y descongelación (criodesalación o FD) excluye los minerales disueltos del agua salina mediante cristalización. [28]
La Oficina de Agua Salina fue creada en el Departamento del Interior de los Estados Unidos en 1955 de acuerdo con la Ley de Conversión de Agua Salina de 1952. [5] [29] Esta ley fue motivada por la escasez de agua en California y el interior occidental de los Estados Unidos. El Departamento del Interior asignó recursos que incluyen subvenciones para investigación, personal experto, datos de patentes y terrenos para experimentos para lograr mayores avances. [30]
Los resultados de estos esfuerzos incluyeron la construcción de más de 200 plantas de electrodiálisis y destilación en todo el mundo, investigación de ósmosis inversa (RO) y cooperación internacional (por ejemplo, el Primer Simposio y Exposición Internacional de Desalinización de Agua en 1965). [31] La Oficina de Agua Salina se fusionó con la Oficina de Investigación de Recursos Hídricos en 1974. [29]
La primera planta desalinizadora industrial de Estados Unidos se inauguró en Freeport, Texas, en 1961, después de una década de sequía regional. [5]
A finales de la década de 1960 y principios de la de 1970, la ósmosis inversa comenzó a mostrar resultados prometedores para reemplazar las unidades tradicionales de desalinización térmica. La investigación se llevó a cabo en universidades estatales de California, en Dow Chemical Company y DuPont . [32] Muchos estudios se centran en formas de optimizar los sistemas de desalinización. [33] [34] La primera planta comercial de ósmosis inversa, la planta desalinizadora Coalinga, se inauguró en California en 1965 para agua salobre . [35] El Dr. Sidney Loeb , junto con el personal de UCLA , diseñó una gran planta piloto para recopilar datos sobre RO, pero tuvo suficiente éxito como para proporcionar agua dulce a los residentes de Coalinga. Este supuso un hito en la tecnología de desalinización, ya que demostró la viabilidad de la OI y sus ventajas en comparación con las tecnologías existentes (eficiencia, no requiere cambio de fase, funcionamiento a temperatura ambiente, escalabilidad y facilidad de estandarización). [36] Unos años más tarde, en 1975, entró en funcionamiento la primera planta desaladora de agua de mar por ósmosis inversa.
En el año 2000, se operaban más de 2000 plantas. Las más grandes están en Arabia Saudita, Israel y Emiratos Árabes Unidos y la planta más grande, con un volumen de 1.401.000 m3/d, está en Arabia Saudita (Ras Al Khair). [37]
En 2021, había 22.000 plantas en funcionamiento [37] En 2024, el gobierno catalán instaló una planta flotante en alta mar cerca del puerto de Barcelona y compró 12 unidades móviles de desalinización para la región norte de la Costa Brava para combatir la grave sequía. [38]
En 2012, el costo promedio fue de 0,75 dólares por metro cúbico. Para 2022, esa cifra había disminuido (antes de la inflación) a 0,41 dólares. Los suministros desalinizados están creciendo a una tasa compuesta superior al 10%, duplicándose su abundancia cada siete años. [39]
En la actualidad hay alrededor de 21.000 plantas desalinizadoras en funcionamiento en todo el mundo. Los más grandes están en los Emiratos Árabes Unidos , Arabia Saudita e Israel . La planta desaladora más grande del mundo se encuentra en Arabia Saudita ( Ras Al-Khair Power and Desalination Plant ) con una capacidad de 1.401.000 metros cúbicos por día. [40]
Actualmente, la desalinización es cara en comparación con la mayoría de fuentes alternativas de agua, y sólo una fracción muy pequeña del uso humano total se satisface con la desalinización. [41] Por lo general, sólo es económicamente práctico para usos de alto valor (como usos domésticos e industriales) en zonas áridas . Sin embargo, hay un crecimiento de la desalinización para uso agrícola y en zonas muy pobladas como Singapur [42] o California. [43] [44] El uso más extendido se da en el Golfo Pérsico . [45]
Si bien se observa que los costos están cayendo y, en general, es positivo acerca de la tecnología para las zonas prósperas cercanas a los océanos, un estudio de 2005 argumentó que "el agua desalinizada puede ser una solución para algunas regiones con estrés hídrico, pero no para lugares que son pobres, en las profundidades del océano". "Desafortunadamente, esto incluye algunos de los lugares con los mayores problemas de agua", y "De hecho, es necesario elevar el agua 2000 m, o transportarla a más de 1600 km. obtener costos de transporte iguales a los costos de desalinización". [46]
Por tanto, puede resultar más económico transportar agua dulce desde otro lugar que desalinizarla. En lugares alejados del mar, como Nueva Delhi , o en lugares altos, como Ciudad de México , los costos de transporte podrían igualar los costos de desalinización. El agua desalada también es cara en lugares algo alejados del mar y algo elevados, como Riad y Harare . Por el contrario, en otras localidades los costes de transporte son mucho menores, como en Pekín , Bangkok , Zaragoza , Phoenix y, por supuesto, ciudades costeras como Trípoli . [47] Después de la desalinización en Jubail , Arabia Saudita, el agua se bombea 320 km tierra adentro hasta Riad . [48] Para las ciudades costeras, la desalinización se considera cada vez más una opción competitiva.
En 2023, Israel estaba utilizando la desalinización para reponer el suministro de agua del Mar de Galilea . [49]
No todo el mundo está convencido de que la desalinización sea o sea económicamente viable o ambientalmente sostenible en el futuro previsible. Debbie Cook escribió en 2011 que las plantas desalinizadoras pueden consumir mucha energía y ser costosas. Por lo tanto, a las regiones con escasez de agua les vendría mejor centrarse en la conservación u otras soluciones de suministro de agua que invertir en plantas desalinizadoras. [50]
La desalinización es un proceso artificial mediante el cual el agua salina (generalmente agua de mar ) se convierte en agua dulce. Los procesos de desalinización más comunes son la destilación y la ósmosis inversa . [51]
Hay varios métodos. Cada uno tiene ventajas y desventajas pero todos son útiles. Los métodos se pueden dividir en métodos basados en membranas (p. ej., ósmosis inversa ) y basados en métodos térmicos (p. ej., destilación flash de múltiples etapas ). [2] El proceso tradicional de desalinización es la destilación (es decir, hervir y recondensar el agua de mar para dejar sal e impurezas). [52]
Actualmente existen dos tecnologías con una gran mayoría de la capacidad de desalinización del mundo: la destilación flash multietapa y la ósmosis inversa .
La destilación solar imita el ciclo natural del agua, en el que el sol calienta el agua de mar lo suficiente como para que se produzca la evaporación. [53] Después de la evaporación, el vapor de agua se condensa sobre una superficie fría. [53] Hay dos tipos de desalinización solar. El primer tipo utiliza células fotovoltaicas para convertir la energía solar en energía eléctrica para impulsar la desalinización. El segundo tipo convierte la energía solar en calor y se conoce como desalinización con energía solar térmica.
El agua puede evaporarse a través de varios otros efectos físicos además de la irradiación solar . Estos efectos se han incluido en una metodología multidisciplinar de desalinización en el Invernadero IBTS . El IBTS es una planta desalinizadora (eléctrica) industrial por un lado y un invernadero que funciona con el ciclo natural del agua (reducido a escala 1:10) por el otro. Los diversos procesos de evaporación y condensación se alojan en servicios públicos de baja tecnología, en parte subterráneos y en la forma arquitectónica del propio edificio. Este sistema biotectural integrado es más adecuado para el enverdecimiento del desierto a gran escala , ya que tiene una huella de km 2 para la destilación del agua y la misma para la transformación del paisaje en el enverdecimiento del desierto, respectivamente, la regeneración de los ciclos naturales del agua dulce. [ cita necesaria ]
En la destilación al vacío se reduce la presión atmosférica, disminuyendo así la temperatura requerida para evaporar el agua. Los líquidos hierven cuando la presión de vapor es igual a la presión ambiental y la presión de vapor aumenta con la temperatura. Efectivamente, los líquidos hierven a una temperatura más baja, cuando la presión atmosférica ambiental es menor que la presión atmosférica habitual. Así, debido a la presión reducida, se puede emplear calor "residual" a baja temperatura procedente de la generación de energía eléctrica o de procesos industriales.
El agua se evapora y se separa del agua de mar mediante destilación instantánea de múltiples etapas , que es una serie de evaporaciones instantáneas . [53] Cada proceso flash posterior utiliza la energía liberada por la condensación del vapor de agua del paso anterior. [53]
La destilación de efectos múltiples (MED) funciona mediante una serie de pasos llamados "efectos". [53] El agua entrante se rocía sobre tuberías que luego se calientan para generar vapor. Luego, el vapor se utiliza para calentar el siguiente lote de agua de mar entrante. [53] Para aumentar la eficiencia, el vapor utilizado para calentar el agua de mar se puede tomar de centrales eléctricas cercanas. [53] Aunque este método es el más termodinámicamente eficiente entre los métodos impulsados por calor, [54] existen algunas limitaciones, como una temperatura máxima y un número máximo de efectos. [55]
La evaporación por compresión de vapor implica el uso de un compresor mecánico o una corriente en chorro para comprimir el vapor presente sobre el líquido. [54] El vapor comprimido se utiliza luego para proporcionar el calor necesario para la evaporación del resto del agua de mar. [53] Dado que este sistema sólo requiere energía, es más rentable si se mantiene a pequeña escala. [53]
Los sistemas de desalinización impulsados por olas generalmente convierten el movimiento mecánico de las olas directamente en energía hidráulica para ósmosis inversa. [56] Dichos sistemas tienen como objetivo maximizar la eficiencia y reducir costos evitando la conversión a electricidad, minimizando el exceso de presurización por encima de la presión osmótica e innovando en componentes hidráulicos y de energía undimotriz. [57] Un ejemplo de ello es CETO , una tecnología de energía undimotriz que desaliniza agua de mar utilizando boyas sumergidas. [58] Las plantas desalinizadoras impulsadas por las olas comenzaron a funcionar en Garden Island , en Australia Occidental, en 2013 [59] y en Perth en 2015. [60]
La destilación por membrana utiliza una diferencia de temperatura a través de una membrana para evaporar el vapor de una solución de salmuera y condensar agua pura en el lado más frío. [61] El diseño de la membrana puede tener un efecto significativo en la eficiencia y la durabilidad. Un estudio encontró que una membrana creada mediante electrohilado coaxial de PVDF - HFP y aerogel de sílice pudo filtrar el 99,99% de la sal después de un uso continuo de 30 días. [62]
El proceso líder en desalinización en términos de capacidad instalada y crecimiento anual es la ósmosis inversa (RO). [64] Los procesos de membranas de OI utilizan membranas semipermeables y presión aplicada (en el lado de alimentación de la membrana) para inducir preferentemente la permeación del agua a través de la membrana mientras se rechazan las sales. Los sistemas de membranas de las plantas de ósmosis inversa suelen utilizar menos energía que los procesos de desalinización térmica. [54] El costo de la energía en los procesos de desalinización varía considerablemente dependiendo de la salinidad del agua, el tamaño de la planta y el tipo de proceso. En la actualidad, el costo de la desalinización de agua de mar, por ejemplo, es más alto que el de las fuentes de agua tradicionales, pero se espera que los costos sigan disminuyendo con mejoras tecnológicas que incluyen, entre otras, una mayor eficiencia, [65] reducción de la huella de la planta. , mejoras en la operación y optimización de la planta, un pretratamiento del alimento más efectivo y fuentes de energía de menor costo. [66]
La ósmosis inversa utiliza una membrana compuesta de película delgada, que comprende una película delgada de poliamida aromática ultrafina. Esta película de poliamida confiere a la membrana sus propiedades de transporte, mientras que el resto de la membrana compuesta de película fina proporciona soporte mecánico. La película de poliamida es un polímero denso y sin huecos con una gran superficie, lo que permite su alta permeabilidad al agua. [67] Un estudio reciente ha descubierto que la permeabilidad al agua se rige principalmente por la distribución de masa interna a nanoescala de la capa activa de poliamida. [68]
El proceso de ósmosis inversa requiere mantenimiento. Varios factores interfieren con la eficiencia: contaminación iónica (calcio, magnesio, etc.); carbono orgánico disuelto (DOC); bacterias; virus; coloides y partículas insolubles; bioincrustaciones e incrustaciones . En casos extremos, las membranas de RO se destruyen. Para mitigar los daños, se introducen varias etapas de pretratamiento. Los inhibidores antical incluyen ácidos y otros agentes como los polímeros orgánicos poliacrilamida y ácido polimaleico, fosfonatos y polifosfatos . Los inhibidores de la incrustación son los biocidas (como oxidantes contra bacterias y virus), como el cloro, el ozono, el hipoclorito de sodio o de calcio. A intervalos regulares, dependiendo de la contaminación de la membrana; condiciones fluctuantes del agua de mar; o cuando lo requieren los procesos de monitoreo, es necesario limpiar las membranas, lo que se conoce como lavado de emergencia o lavado de choque. El lavado se realiza con inhibidores en una solución de agua dulce y el sistema debe desconectarse. Este procedimiento es riesgoso para el medio ambiente, ya que el agua contaminada se desvía al océano sin tratamiento. Los hábitats marinos sensibles pueden sufrir daños irreversibles. [69] [70]
Las unidades de desalinización alimentadas por energía solar, aisladas de la red, utilizan energía solar para llenar con agua de mar un tanque intermedio en una colina. [71] El proceso de ósmosis inversa recibe su alimentación de agua de mar presurizada en horas sin luz solar por gravedad, lo que da como resultado una producción sostenible de agua potable sin necesidad de combustibles fósiles, una red eléctrica o baterías. [72] [73] [74] Los nanotubos también se utilizan para la misma función (es decir, ósmosis inversa).
La ósmosis directa utiliza una membrana semipermeable para efectuar la separación del agua de los solutos disueltos. La fuerza impulsora de esta separación es un gradiente de presión osmótica, como una solución de "extracción" de alta concentración. [2]
La desalinización por congelación y descongelación (o desalinización por congelación) utiliza la congelación para eliminar el agua dulce del agua salada. En condiciones de congelación, se rocía agua salada en una plataforma donde se acumula una pila de hielo. Cuando las condiciones estacionales son cálidas, se recupera agua derretida desalinizada naturalmente. Esta técnica se basa en períodos prolongados de condiciones naturales de congelación. [75]
Un método diferente de congelación y descongelación, que no depende del clima e inventado por Alexander Zarchin , congela el agua de mar en el vacío. En condiciones de vacío, el hielo, desalinizado, se funde y se desvía para su recogida y se recoge la sal.
La electrodiálisis utiliza potencial eléctrico para mover las sales a través de pares de membranas cargadas, que atrapan la sal en canales alternos. [76] Existen varias variaciones de electrodiálisis, como la electrodiálisis convencional y la electrodiálisis inversa . [2]
La electrodiálisis puede eliminar simultáneamente la sal y el ácido carbónico del agua de mar. [77] Las estimaciones preliminares sugieren que el costo de dicha eliminación de carbono se puede pagar en gran parte, si no en su totalidad, con la venta del agua desalinizada producida como subproducto. [78]
Las células de desalinización microbiana son sistemas electroquímicos biológicos que implementan el uso de bacterias electroactivas para impulsar la desalinización de agua in situ , aprovechando el gradiente natural de ánodo y cátodo de las bacterias electroactivas y creando así un supercondensador interno . [4]
El consumo energético del proceso de desalación depende de la salinidad del agua. La desalinización de agua salobre requiere menos energía que la desalinización de agua de mar . [79]
La intensidad energética de la desalinización de agua de mar ha mejorado: ahora es de aproximadamente 3 kWh/m 3 (en 2018), un factor 10 menor que los 20-30 kWh/m 3 de 1970. [7] : 24 Esto es similar al consumo de energía de otros suministros de agua dulce transportados a grandes distancias, [80] pero mucho mayor que los suministros de agua dulce locales que utilizan 0,2 kWh/m 3 o menos. [81]
Se ha determinado un consumo mínimo de energía para la desalinización de agua de mar de alrededor de 1 kWh/m 3 , [79] [82] [83] excluyendo el prefiltrado y el bombeo de entrada/emisario. Se han logrado menos de 2 kWh/m 3 [84] con la tecnología de membrana de ósmosis inversa , lo que deja un margen limitado para mayores reducciones de energía, ya que el consumo de energía de ósmosis inversa en la década de 1970 era de 16 kWh/m 3 . [79]
Suministrar toda el agua doméstica de Estados Unidos mediante desalinización aumentaría el consumo de energía doméstica en alrededor de un 10%, aproximadamente la cantidad de energía utilizada por los refrigeradores domésticos. [85] El consumo doméstico es una fracción relativamente pequeña del uso total de agua. [86]
Nota: "Equivalente eléctrico" se refiere a la cantidad de energía eléctrica que podría generarse utilizando una cantidad determinada de energía térmica y un generador de turbina adecuado. Estos cálculos no incluyen la energía necesaria para construir o renovar los elementos consumidos.
Dada la naturaleza intensiva en energía de la desalinización y los costos económicos y ambientales asociados, la desalinización generalmente se considera un último recurso después de la conservación del agua . Pero esto está cambiando a medida que los precios siguen cayendo.
La cogeneración consiste en generar un exceso de calor y electricidad a partir de un único proceso. La cogeneración puede proporcionar calor utilizable para la desalinización en una instalación integrada o de "doble propósito", donde una planta de energía proporciona la energía para la desalinización. Alternativamente, la producción de energía de la instalación puede dedicarse a la producción de agua potable (una instalación independiente), o el exceso de energía puede producirse e incorporarse a la red energética. La cogeneración adopta diversas formas y, en teoría, se podría utilizar cualquier forma de producción de energía. Sin embargo, la mayoría de las plantas desalinizadoras de cogeneración actuales y previstas utilizan combustibles fósiles o energía nuclear como fuente de energía. La mayoría de las plantas están ubicadas en Medio Oriente o el norte de África , que utilizan sus recursos petroleros para compensar los limitados recursos hídricos. La ventaja de las instalaciones de doble propósito es que pueden ser más eficientes en el consumo de energía, haciendo así más viable la desalinización. [88] [89]
La tendencia actual en las instalaciones de doble propósito son las configuraciones híbridas, en las que el permeado de la desalinización por ósmosis inversa se mezcla con el destilado de la desalinización térmica. Básicamente, se combinan dos o más procesos de desalinización junto con la producción de energía. Instalaciones de este tipo se han implementado en Arabia Saudita en Jeddah y Yanbu . [90]
Un superportaaviones típico del ejército estadounidense es capaz de utilizar energía nuclear para desalinizar 1.500.000 L (330.000 imp gal; 400.000 gal EE.UU.) de agua por día. [91]
Una mayor conservación y eficiencia del agua siguen siendo los enfoques más rentables en áreas con un gran potencial para mejorar la eficiencia de las prácticas de uso del agua. [92] La recuperación de aguas residuales proporciona múltiples beneficios sobre la desalinización de agua salina, [93] aunque normalmente utiliza membranas de desalinización. [94] La escorrentía urbana y la captura de aguas pluviales también brindan beneficios en el tratamiento, restauración y recarga de aguas subterráneas. [95]
Una alternativa propuesta a la desalinización en el suroeste de Estados Unidos es la importación comercial de agua a granel desde áreas ricas en agua, ya sea mediante petroleros convertidos en transportadores de agua o mediante tuberías. La idea es políticamente impopular en Canadá, donde los gobiernos impusieron barreras comerciales a las exportaciones masivas de agua como resultado de un reclamo del Tratado de Libre Comercio de América del Norte (TLCAN). [96]
El Departamento de Recursos Hídricos de California y la Junta de Control de Recursos Hídricos del Estado de California presentaron un informe a la legislatura estatal recomendando que los proveedores de agua urbanos alcancen un estándar de eficiencia en el uso del agua en interiores de 55 galones estadounidenses (210 litros) per cápita por día para 2023, disminuyendo a 47 galones estadounidenses (180 litros) por día para 2025 y 42 galones estadounidenses (160 litros) para 2030 y más allá. [97] [98] [99]
Los factores que determinan los costos de la desalinización incluyen la capacidad y el tipo de instalación, la ubicación, el agua de alimentación, la mano de obra, la energía, el financiamiento y la eliminación del concentrado. Los costos de desalinizar agua de mar (infraestructura, energía y mantenimiento) son generalmente más altos que los del agua dulce de ríos o aguas subterráneas , el reciclaje de agua y la conservación del agua , pero no siempre hay alternativas disponibles. Los costos de desalinización en 2013 oscilaron entre 0,45 y 1,00 dólares EE.UU./m 3 . Más de la mitad del costo proviene directamente del costo de la energía y, dado que los precios de la energía son muy volátiles, los costos reales pueden variar sustancialmente. [100]
El costo del agua dulce no tratada en el mundo en desarrollo puede alcanzar los 5 dólares por metro cúbico. [101]
Los alambiques de desalinización controlan la presión, la temperatura y las concentraciones de salmuera para optimizar la eficiencia. La desalinización por energía nuclear podría resultar económica a gran escala. [106] [107]
En 2014, las instalaciones israelíes de Hadera, Palmahim, Ashkelon y Sorek desalinizaban agua por menos de 0,40 dólares el metro cúbico. [108] En 2006, Singapur desalinizaba agua a 0,49 dólares EE.UU. por metro cúbico. [109]
En los Estados Unidos, las estructuras de toma de agua de refrigeración están reguladas por la Agencia de Protección Ambiental (EPA). Estas estructuras pueden tener los mismos impactos en el medio ambiente que las tomas de las instalaciones desaladoras. Según la EPA, las estructuras de toma de agua causan un impacto ambiental adverso al succionar peces y mariscos o sus huevos hacia un sistema industrial. Allí, los organismos pueden morir o dañarse por el calor, el estrés físico o los productos químicos. Los organismos más grandes pueden morir o resultar heridos cuando quedan atrapados contra las pantallas en la parte delantera de una estructura de entrada. [110] Los tipos de toma alternativos que mitigan estos impactos incluyen pozos de playa, pero requieren más energía y costos más altos. [111]
La planta desalinizadora de Kwinana se inauguró en la ciudad australiana de Perth , en 2007. El agua allí y en la planta desalinizadora Gold Coast de Queensland y en la planta desalinizadora Kurnell de Sydney se extrae a 0,1 m/s (0,33 pies/s), lo cual es lento. suficiente para dejar escapar a los peces. La planta proporciona casi 140.000 m 3 (4.900.000 pies cúbicos) de agua limpia por día. [112]
Los procesos de desalinización producen grandes cantidades de salmuera , posiblemente a temperatura superior a la ambiente, y contienen residuos de productos químicos de pretratamiento y limpieza, sus subproductos de reacción y metales pesados debido a la corrosión (especialmente en plantas de base térmica). [113] [114] El pretratamiento químico y la limpieza son una necesidad en la mayoría de las plantas desalinizadoras, lo que generalmente incluye la prevención de bioincrustaciones, incrustaciones, formación de espuma y corrosión en plantas térmicas, y de bioincrustaciones, sólidos suspendidos y depósitos de incrustaciones en plantas de membrana. [115]
Para limitar el impacto ambiental de devolver la salmuera al océano, se puede diluir con otra corriente de agua que ingrese al océano, como el emisario de una planta de tratamiento de aguas residuales o de una planta de energía. En el caso de centrales eléctricas y plantas desalinizadoras de tamaño mediano a grande, es probable que el flujo de agua de refrigeración de la central eléctrica sea varias veces mayor que el de la planta desalinizadora, lo que reduce la salinidad de la combinación. Otro método para diluir la salmuera es mezclarla mediante un difusor en una zona de mezcla. Por ejemplo, una vez que una tubería que contiene salmuera llega al fondo del mar, puede dividirse en muchas ramas, cada una de las cuales libera salmuera gradualmente a través de pequeños orificios a lo largo de su longitud. La mezcla se puede combinar con la dilución de una planta de energía o de una planta de aguas residuales. Además, se pueden adoptar sistemas de descarga cero de líquido para tratar la salmuera antes de su eliminación. [113] [116]
Otra posibilidad es hacer que la planta desaladora sea móvil, evitando así que la salmuera se acumule en un solo lugar (ya que sigue siendo producida por la planta desaladora). Se han construido algunas de estas plantas desalinizadoras móviles (conectadas a barcos). [117] [118]
La salmuera es más densa que el agua de mar y, por tanto, se hunde hasta el fondo del océano y puede dañar el ecosistema. Se ha observado que las columnas de salmuera disminuyen con el tiempo hasta una concentración diluida, hasta donde hay poco o ningún efecto en el medio ambiente circundante. Sin embargo, los estudios han demostrado que la dilución puede ser engañosa debido a la profundidad a la que ocurrió. Si la dilución se observó durante la temporada de verano, existe la posibilidad de que haya habido un evento de termoclina estacional que podría haber impedido que la salmuera concentrada se hundiera en el fondo del mar. Esto tiene el potencial de no alterar el ecosistema del fondo marino sino las aguas que lo cubren. Se ha observado que la dispersión de salmuera de las plantas desalinizadoras se desplaza a varios kilómetros de distancia, lo que significa que tiene el potencial de causar daño a los ecosistemas alejados de las plantas. Una reintroducción cuidadosa con medidas adecuadas y estudios ambientales puede minimizar este problema. [119] [120]
Se espera que la demanda de energía para la desalinización en Oriente Medio , impulsada por la grave escasez de agua , se duplique de aquí a 2030. Actualmente, este proceso utiliza principalmente combustibles fósiles , que constituyen más del 95% de su fuente de energía. En 2023, la desalinización consumió casi la mitad de la energía del sector residencial de la región. [121]
Debido a la naturaleza del proceso, es necesario colocar las plantas en aproximadamente 25 acres de tierra en la costa o cerca de ella. [122] En el caso de una planta construida tierra adentro, las tuberías deben colocarse en el suelo para permitir una fácil entrada y salida. [122] Sin embargo, una vez que las tuberías se colocan en el suelo, existe la posibilidad de que se filtren y contaminen los acuíferos cercanos. [122] Aparte de los riesgos ambientales, el ruido generado por ciertos tipos de plantas desalinizadoras puede ser fuerte. [122]
La desalinización elimina el yodo del agua y podría aumentar el riesgo de trastornos por deficiencia de yodo . Investigadores israelíes afirmaron un posible vínculo entre la desalinización del agua de mar y la deficiencia de yodo, [123] y encontraron déficits de yodo entre los adultos expuestos a agua pobre en yodo [124] al mismo tiempo que una proporción cada vez mayor del agua potable de su área proviene de ósmosis inversa de agua de mar (SWRO). [125] Más tarde encontraron probables trastornos por deficiencia de yodo en una población que dependía del agua de mar desalinizada. [126] Investigadores israelíes sugirieron un posible vínculo entre el uso intensivo de agua desalinizada y la deficiencia nacional de yodo. [127] Encontraron una alta carga de deficiencia de yodo en la población general de Israel: el 62% de los niños en edad escolar y el 85% de las mujeres embarazadas se encuentran por debajo del rango de adecuación de la OMS. [128] También señalaron la dependencia nacional del agua desalinizada sin yodo, la ausencia de un programa universal de yodación de la sal y los informes sobre el mayor uso de medicamentos para la tiroides en Israel como posibles razones por las que la ingesta de yodo de la población es baja. [129] En el año en que se realizó la encuesta, la cantidad de agua producida por las plantas desalinizadoras constituye aproximadamente el 50% de la cantidad de agua dulce suministrada para todas las necesidades y aproximadamente el 80% del agua suministrada para las necesidades domésticas e industriales en Israel. . [130]
Otras técnicas de desalinización incluyen:
Con frecuencia se sugiere el uso de tecnologías de desalinización impulsadas térmicamente con fuentes de calor residual de baja temperatura , ya que las bajas temperaturas no son útiles para el calor de proceso necesario en muchos procesos industriales, pero son ideales para las temperaturas más bajas necesarias para la desalinización. [54] De hecho, dicha combinación con el calor residual puede incluso mejorar el proceso eléctrico: los generadores diésel suelen proporcionar electricidad en zonas remotas. Aproximadamente entre el 40% y el 50% de la producción de energía es calor de baja calidad que sale del motor a través del escape. La conexión de una tecnología de desalinización térmica, como un sistema de destilación por membrana , al escape del motor diésel reutiliza este calor de baja calidad para la desalinización. El sistema enfría activamente el generador diésel , mejorando su eficiencia y aumentando su producción de electricidad. Esto da como resultado una solución de desalinización energéticamente neutra. En marzo de 2014, la empresa holandesa Aquaver encargó una planta de ejemplo para Gulhi , Maldivas . [131] [132]
Originariamente derivada de la investigación sobre la conversión de energía térmica oceánica , la desalinización térmica a baja temperatura (LTTD) aprovecha el agua que hierve a baja presión, incluso a temperatura ambiente . El sistema utiliza bombas para crear un ambiente de baja presión y baja temperatura en el que el agua hierve a un gradiente de temperatura de 8 a 10 °C (14 a 18 °F) entre dos volúmenes de agua. El agua fría del océano se suministra desde profundidades de hasta 600 m (2000 pies). Esta agua se bombea a través de serpentines para condensar el vapor de agua. El condensado resultante es agua purificada. LTTD puede aprovechar el gradiente de temperatura disponible en las centrales eléctricas, donde se descargan grandes cantidades de aguas residuales calientes de la planta, reduciendo la entrada de energía necesaria para crear un gradiente de temperatura. [133]
Se llevaron a cabo experimentos en Estados Unidos y Japón para probar el enfoque. En Japón, la Universidad de Saga probó un sistema de evaporación instantánea por pulverización. [134] En Hawái, el Laboratorio Nacional de Energía probó una planta OTEC de ciclo abierto con producción de agua dulce y energía utilizando una diferencia de temperatura de 20 °C (36 °F) entre el agua superficial y el agua a una profundidad de alrededor de 500 m (1.600 pie). El LTTD fue estudiado por el Instituto Nacional de Tecnología Oceánica (NIOT) de la India en 2004. Su primera planta de LTTD se inauguró en 2005 en Kavaratti, en las islas Lakshadweep . La capacidad de la planta es de 100.000 L (22.000 imp gal; 26.000 gal EE.UU.)/día, con un coste de capital de 50 millones de INR (922.000 €). La planta utiliza agua profunda a una temperatura de 10 a 12 °C (50 a 54 °F). [135] En 2007, NIOT abrió una planta LTTD flotante experimental frente a la costa de Chennai , con una capacidad de 1.000.000 L (220.000 imp gal; 260.000 gal EE.UU.)/día. En 2009 se estableció una planta más pequeña en la central térmica de North Chennai para probar la aplicación LTTD donde hay disponible agua de refrigeración de la planta de energía. [133] [136] [137]
En octubre de 2009, Saltworks Technologies anunció un proceso que utiliza calor solar u otro calor térmico para impulsar una corriente iónica que elimina todos los iones de sodio y cloro del agua mediante membranas de intercambio iónico. [138]
El invernadero Seawater utiliza procesos naturales de evaporación y condensación dentro de un invernadero alimentado por energía solar para cultivar en tierras costeras áridas.
En 2022, utilizando una técnica que utiliza múltiples etapas de polarización de concentración de iones seguidas de una única etapa de electrodiálisis , investigadores del MIT logran crear una unidad de desalinización portátil sin filtro, capaz de eliminar tanto sales disueltas como sólidos en suspensión . [139] Diseñado para ser utilizado por no expertos en zonas remotas o desastres naturales , así como en operaciones militares, el prototipo tiene el tamaño de una maleta, mide 42 × 33,5 × 19 cm 3 y pesa 9,25 kg. [139] El proceso está completamente automatizado, notifica al usuario cuando el agua es segura para beber y puede controlarse con un solo botón o una aplicación de teléfono inteligente. Como no requiere una bomba de alta presión, el proceso es altamente eficiente desde el punto de vista energético, ya que consume sólo 20 vatios-hora por litro de agua potable producida, lo que lo hace capaz de funcionar con paneles solares portátiles comunes . El uso de un diseño sin filtro a bajas presiones o filtros reemplazables reduce significativamente los requisitos de mantenimiento, mientras que el dispositivo en sí se limpia automáticamente. [140] Sin embargo, el dispositivo se limita a producir 0,33 litros de agua potable por minuto. [139] También existe la preocupación de que la contaminación afecte la confiabilidad a largo plazo, especialmente en agua con alta turbidez . Los investigadores están trabajando para aumentar la eficiencia y la tasa de producción con la intención de comercializar el producto en el futuro; sin embargo, una limitación significativa es la dependencia de materiales costosos en el diseño actual. [140]
La desalinización basada en adsorción (DA) se basa en las propiedades de absorción de humedad de ciertos materiales como el gel de sílice. [141]
Modern Water PLC comercializó un proceso utilizando ósmosis directa , y se informó que varias plantas estaban en funcionamiento. [142] [143] [144]
La idea del método es que cuando el hidrogel se pone en contacto con una solución salina acuosa, se hincha absorbiendo una solución con una composición iónica diferente a la original. Esta solución se puede extraer fácilmente del gel mediante un tamiz o una membrana de microfiltración. La compresión del gel en un sistema cerrado conduce a un cambio en la concentración de sal, mientras que la compresión en un sistema abierto, mientras el gel intercambia iones con la masa, conduce a un cambio en el número de iones. La consecuencia de la compresión y el hinchamiento en condiciones de sistema abierto y cerrado imita el ciclo de Carnot inverso de la máquina refrigeradora. La única diferencia es que en lugar de calor, este ciclo transfiere iones de sal de la masa de baja salinidad a la masa de alta salinidad. De manera similar al ciclo de Carnot, este ciclo es completamente reversible, por lo que, en principio, puede funcionar con una eficiencia termodinámica ideal. Debido a que el método no requiere el uso de membranas osmóticas, puede competir con el método de ósmosis inversa. Además, a diferencia de la ósmosis inversa, este método no es sensible a la calidad del agua de alimentación ni a sus cambios estacionales, y permite la producción de agua en cualquier concentración deseada. [145]
Estados Unidos, Francia y los Emiratos Árabes Unidos están trabajando para desarrollar una desalinización solar práctica . [146] WaterStillar de AquaDania se ha instalado en Dahab, Egipto, y en Playa del Carmen, México. Según este enfoque, un colector solar térmico de dos metros cuadrados puede destilar de 40 a 60 litros por día de cualquier fuente de agua local, cinco veces más que los alambiques convencionales. Elimina la necesidad de utilizar botellas de plástico PET o el transporte de agua, que consume mucha energía. [147] En el centro de California, una nueva empresa WaterFX está desarrollando un método de desalinización con energía solar que puede permitir el uso de agua local, incluida el agua de escorrentía, que puede tratarse y utilizarse nuevamente. El agua subterránea salada de la región se trataría para convertirla en agua dulce, y en zonas cercanas al océano, se podría tratar el agua de mar. [148]
El proceso Passarell utiliza presión atmosférica reducida en lugar de calor para impulsar la desalinización por evaporación. Luego, el vapor de agua puro generado por la destilación se comprime y condensa mediante un compresor avanzado. El proceso de compresión mejora la eficiencia de la destilación al crear una presión reducida en la cámara de evaporación. El compresor centrifuga el vapor de agua puro después de pasar a través de un desempañador (eliminando las impurezas residuales), lo que hace que se comprima contra los tubos en la cámara de recolección. La compresión del vapor aumenta su temperatura. El calor se transfiere al agua de entrada que cae en los tubos, vaporizándose el agua en los tubos. El vapor de agua se condensa en el exterior de los tubos como agua producto. Al combinar varios procesos físicos, Passarell permite reciclar la mayor parte de la energía del sistema a través de sus procesos de evaporación, desempañamiento, compresión de vapor, condensación y movimiento de agua. [149]
La energía geotérmica puede impulsar la desalinización. En la mayoría de los lugares, la desalinización geotérmica es mejor que el uso de aguas subterráneas o superficiales escasas, desde el punto de vista ambiental y económico. [ cita necesaria ]
Las membranas de nanotubos de mayor permeabilidad que la generación actual de membranas pueden conducir a una eventual reducción de la huella de las plantas de desalinización por ósmosis inversa. También se ha sugerido que el uso de tales membranas conducirá a una reducción de la energía necesaria para la desalinización. [150]
Se ha demostrado que las membranas herméticas de nanocompuestos sulfonados son capaces de eliminar diversos contaminantes al nivel de partes por mil millones y tienen poca o ninguna susceptibilidad a los altos niveles de concentración de sal. [151] [152] [153]
Las membranas biomiméticas son otro enfoque. [154]
En 2008, Siemens Water Technologies anunció una tecnología que aplicaba campos eléctricos para desalinizar un metro cúbico de agua utilizando sólo 1,5 kWh de energía. Si es exacto, este proceso consumiría la mitad de la energía que otros procesos. [155] En 2012 había una planta de demostración en funcionamiento en Singapur. [156] Investigadores de la Universidad de Texas en Austin y la Universidad de Marburg están desarrollando métodos más eficientes de desalinización de agua de mar mediada electroquímicamente. [157]
Se puede utilizar un proceso que emplea ondas de choque electrocinéticas para lograr una desalinización sin membrana a temperatura y presión ambiente. [158] En este proceso, los aniones y cationes en agua salada se intercambian por aniones de carbonato y cationes de calcio, respectivamente, utilizando ondas de choque electrocinéticas. Los iones de calcio y carbonato reaccionan para formar carbonato de calcio , que precipita y deja agua dulce. La eficiencia energética teórica de este método está a la par de la electrodiálisis y la ósmosis inversa .
La extracción con solvente por cambio de temperatura (TSSE) utiliza un solvente en lugar de una membrana o altas temperaturas.
La extracción con disolventes es una técnica común en la ingeniería química . Puede activarse mediante calor de baja calidad (menos de 70 °C (158 °F), que puede no requerir calentamiento activo. En un estudio, TSSE eliminó hasta el 98,4 por ciento de la sal en la salmuera. [159] Un solvente cuyo La solubilidad varía con la temperatura se agrega al agua salada. A temperatura ambiente , el solvente extrae las moléculas de agua de la sal. Luego se calienta, lo que hace que el solvente libere el agua ahora libre de sal.
Puede desalinizar salmuera extremadamente salada hasta siete veces más salada que la del océano. En comparación, los métodos actuales sólo pueden manejar salmuera dos veces más salada.
Un sistema marino de pequeña escala utiliza la energía de las olas para desalinizar entre 30 y 50 m 3 /día. El sistema funciona sin energía externa y está construido con botellas de plástico recicladas. [161]
Trade Arabia afirma que Arabia Saudita produce 7,9 millones de metros cúbicos de agua desalinizada por día, o el 22% del total mundial a finales de 2021. [162]
A medida que las nuevas innovaciones tecnológicas continúan reduciendo el costo de capital de la desalinización, más países están construyendo plantas desalinizadoras como un pequeño elemento para abordar sus problemas de escasez de agua . [170]
En 2008, "en todo el mundo, 13.080 plantas desalinizadoras producen más de 12 mil millones de galones de agua al día, según la Asociación Internacional de Desalinización". [184] Una estimación de 2009 encontró que el suministro mundial de agua desalinizada se triplicará entre 2008 y 2020. [185]
Uno de los centros de desalinización más grandes del mundo es el Complejo de producción de agua y generación de energía Jebel Ali en los Emiratos Árabes Unidos . Se trata de un emplazamiento que cuenta con múltiples plantas que utilizan diferentes tecnologías de desalinización y es capaz de producir 2,2 millones de metros cúbicos de agua al día. [186]
Un portaaviones típico del ejército estadounidense utiliza energía nuclear para desalinizar 400.000 galones estadounidenses (1.500.000 L) de agua por día. [187]
La evaporación del agua sobre los océanos en el ciclo del agua es un proceso de desalinización natural.
La formación de hielo marino produce hielo con poca sal, mucho menor que en el agua de mar.
Las aves marinas destilan agua de mar mediante intercambio a contracorriente en una glándula con rete mirabile . La glándula secreta salmuera altamente concentrada almacenada cerca de las fosas nasales, encima del pico. Luego, el pájaro "estornuda" la salmuera. Como no suele haber agua dulce disponible en sus entornos, algunas aves marinas, como pelícanos , petreles , albatros , gaviotas y charranes , poseen esta glándula, que les permite beber el agua salada de sus entornos mientras se encuentran lejos de la tierra. [188] [189]
Los manglares crecen en el agua de mar; Secretan sal atrapándola en partes de la raíz, que luego son comidas por los animales (generalmente cangrejos). La sal adicional se elimina almacenándola en hojas que se caen. Algunos tipos de manglares tienen glándulas en sus hojas, que funcionan de manera similar a la glándula desalinizadora de las aves marinas. La sal se extrae del exterior de la hoja en forma de pequeños cristales , que luego se caen de la hoja.
Los sauces y los juncos absorben sal y otros contaminantes, desalinizando eficazmente el agua. Se utiliza en humedales artificiales artificiales para tratar aguas residuales . [190]
A pesar de los problemas asociados con los procesos de desalinización, el apoyo público a su desarrollo puede ser muy alto. [191] [192] Una encuesta realizada en una comunidad del sur de California encontró que el 71,9% de todos los encuestados apoyaban el desarrollo de plantas desalinizadoras en su comunidad. [192] En muchos casos, una alta escasez de agua dulce corresponde a un mayor apoyo público para el desarrollo de la desalinización, mientras que las áreas con baja escasez de agua tienden a tener menos apoyo público para su desarrollo. [192]
Este proyecto es el primer conjunto de energía de las olas a escala comercial del mundo que está conectado a la red y tiene la capacidad de producir agua desalinizada.
