La desalinización es un proceso que elimina los componentes minerales del agua salada . En términos más generales, 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 desalinizar 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 de energía, la desalinización del agua de mar es generalmente más costosa que el agua dulce proveniente de aguas superficiales o subterráneas , el reciclaje del 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] [6] Los procesos de desalinización utilizan métodos térmicos (en el caso de la destilación ) o métodos basados en membranas (por ejemplo, en el caso de la ósmosis inversa ). [7] [8] : 24
Según una estimación de 2018, "hay 18.426 plantas de desalinización 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". [8] : 24 La intensidad energética ha mejorado: ahora es de unos 3 kWh/m 3 (en 2018), una reducción de 10 veces respecto de los 20-30 kWh/m 3 de 1970. [8] : 24 Sin embargo, la desalinización representó alrededor del 25% de la energía consumida por el sector del agua en 2016. [8] : 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 el tiempo suficiente en agua de mar, habiendo actuado como una membrana para filtrar la sal. [9]
Al mismo tiempo, se registró la desalinización del agua de mar en China. Tanto el Clásico de las montañas y los mares 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 fina capa exterior después de un uso prolongado. La fina película así formada tenía funciones de adsorción e intercambio iónico , que podían adsorber la sal. [10]
Numerosos ejemplos de experimentación en desalinización aparecieron a lo largo de la Antigüedad y la Edad Media , [11] pero la desalinización se volvió factible a gran escala solo en la era moderna. [12] Un buen ejemplo de esta experimentación proviene de Leonardo da Vinci (Florencia, 1452), quien se dio cuenta de que se podía producir agua destilada de manera económica en grandes cantidades adaptando un alambique a una cocina. [13] Durante la Edad Media en otras partes de Europa Central, el trabajo continuó en mejoras de destilación, aunque no necesariamente dirigidas a la desalinización. [14]
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. [14] [15] Se cree que una guarnición de 700 soldados españoles fue sitiada 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 reportado detalles del dispositivo. [15]
Antes de la Revolución Industrial , la desalinización era una preocupación principal de los barcos oceánicos, 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 abastecer a sus hombres con agua dulce por medio de la destilación a bordo. [16] Además, durante los primeros años del siglo XVII, varias figuras prominentes de la época, como Francis Bacon y Walter Raleigh, publicaron informes sobre la desalinización. [15] [17] Estos informes y otros, [18] establecieron el clima para la primera disputa de patentes relacionada con los aparatos de desalinización. Las dos primeras patentes relacionadas con la desalinización de agua se aprobaron en 1675 y 1683 (patentes n.º 184 [19] y n.º 226, [20] publicadas por William Walcot y Robert Fitzgerald (y otros), respectivamente). Sin embargo, ninguna de las dos invenciones entró en servicio como consecuencia de dificultades de ampliación. [14] No se realizaron mejoras significativas en el proceso básico de destilación de agua de mar durante los 150 años transcurridos desde mediados del siglo XVII hasta 1800.
Cuando la fragata Protector fue vendida a Dinamarca en la década de 1780 (como el barco Hussaren ), su alambique fue estudiado y registrado con gran detalle. [21] En los Estados Unidos, Thomas Jefferson catalogó los métodos basados en el calor que se remontan al siglo XVI y formuló consejos prácticos que se publicaron en todos los barcos estadounidenses en el reverso de los permisos de navegación. [22] [23]
A partir de 1800 aproximadamente, las cosas comenzaron a cambiar como consecuencia de la aparición de la máquina de vapor y la llamada era del vapor . [14] El conocimiento de la termodinámica de los procesos de vapor [24] y la necesidad de una fuente de agua pura para su uso en calderas [25] generaron un efecto positivo en relación con los sistemas de destilación. Además, la expansión del colonialismo europeo indujo una necesidad de agua dulce en partes remotas del mundo, creando así el clima apropiado para la desalinización del agua. [14]
En paralelo con el desarrollo y mejora de los sistemas que utilizaban vapor ( evaporadores de efecto múltiple ), este tipo de dispositivos demostraron rápidamente su potencial de desalinización. [14] En 1852, Alphonse René le Mire de Normandy obtuvo una patente británica para una unidad de destilación de agua de mar de tubo vertical que, gracias a su simplicidad de diseño y facilidad de construcción, ganó popularidad para su uso a bordo. [14] Las unidades terrestres no aparecieron significativamente hasta la segunda mitad del siglo XIX. [26] En la década de 1860, el ejército estadounidense compró tres evaporadores Normandy, cada uno con una capacidad nominal de 7000 galones/día y los instaló en las islas de Key West y Dry Tortugas . [14] [26] [27] Otra planta terrestre se instaló en Suakin durante la década de 1880 que proporcionó agua dulce a las tropas británicas allí. Consistía en destiladores de seis efectos con una capacidad de 350 toneladas/día. [14] [26]
Después de la Segunda Guerra Mundial, se desarrollaron o mejoraron muchas tecnologías, como la desalinización por efecto múltiple (MEF) y la desalinización por etapas múltiples (MSF). Otra tecnología notable es la desalinización por congelación y descongelación. [28] La desalinización por congelación y descongelación (criodesalinización o FD) excluye los minerales disueltos del agua salina mediante cristalización. [29]
La Oficina de Aguas Salinas fue creada en el Departamento del Interior de los Estados Unidos en 1955 de conformidad con la Ley de Conversión de Aguas Salinas de 1952. [5] [30] Esta ley fue motivada por una escasez de agua en California y el interior occidental de los Estados Unidos. El Departamento del Interior asignó recursos, incluidas subvenciones para investigación, personal experto, datos de patentes y tierras para experimentos con el fin de impulsar los avances. [31]
Los resultados de estos esfuerzos incluyeron la construcción de más de 200 plantas de electrodiálisis y destilación en todo el mundo, investigación sobre ósmosis inversa (OI) y cooperación internacional (por ejemplo, el Primer Simposio y Exposición Internacional sobre Desalinización de Agua en 1965). [32] La Oficina de Aguas Salinas se fusionó con la Oficina de Investigación de Recursos Hídricos en 1974. [30]
La primera planta de desalinización industrial de los Estados Unidos se inauguró en Freeport, Texas, en 1961, después de una década de sequía regional. [5]
A finales de los años 1960 y principios de los años 1970, la ósmosis inversa comenzó a mostrar resultados prometedores para reemplazar las unidades de desalinización térmica tradicionales. La investigación se llevó a cabo en universidades estatales de California, en la Dow Chemical Company y DuPont . [33] Muchos estudios se centran en las formas de optimizar los sistemas de desalinización. [34] [35] La primera planta de ósmosis inversa comercial, la planta de desalinización de Coalinga, se inaugura en California en 1965 para agua salobre . [36] El Dr. Sidney Loeb , junto con el personal de la UCLA , diseñó una gran planta piloto para recopilar datos sobre ósmosis inversa, pero tuvo el éxito suficiente para proporcionar agua dulce a los residentes de Coalinga. Este fue un hito en la tecnología de desalinización, ya que demostró la viabilidad de la ósmosis inversa y sus ventajas en comparación con las tecnologías existentes (eficiencia, no requiere cambio de fase, funcionamiento a temperatura ambiente, escalabilidad y facilidad de estandarización). [37] Unos años más tarde, en 1975, entró en funcionamiento la primera planta desalinizadora de agua de mar por ósmosis inversa.
En el año 2000, había más de 2000 plantas en funcionamiento. Las más grandes se encuentran en Arabia Saudita, Israel y los Emiratos Árabes Unidos, y la planta más grande, con un volumen de 1.401.000 m3/d, se encuentra en Arabia Saudita (Ras Al Khair). [38]
En 2021 había 22.000 plantas en funcionamiento [38] 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. [39]
En 2012, el costo promedio era de 0,75 dólares por metro cúbico. Para 2022, ese precio había disminuido (antes de la inflación) a 0,41 dólares. Los suministros desalinizados están creciendo a una tasa compuesta de más del 10%, duplicándose en abundancia cada siete años. [40]
Actualmente existen alrededor de 21.000 plantas de desalinización en funcionamiento en todo el mundo. Las más grandes se encuentran en los Emiratos Árabes Unidos , Arabia Saudita e Israel. La planta de desalinización 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. [41]
En la actualidad, la desalinización es costosa en comparación con la mayoría de las fuentes alternativas de agua, y solo una fracción muy pequeña del uso humano total se satisface con desalinización. [42] Por lo general, solo es económicamente práctica para usos de alto valor (como usos domésticos e industriales) en áreas áridas . Sin embargo, existe un crecimiento en la desalinización para uso agrícola y áreas altamente pobladas como Singapur [43] o California. [44] [45] El uso más extenso se encuentra en el Golfo Pérsico . [46]
Si bien se observa que los costos están disminuyendo y que en general hay una actitud positiva respecto de la tecnología para las áreas ricas cercanas a los océanos, un estudio de 2005 sostuvo que "el agua desalinizada puede ser una solución para algunas regiones con estrés hídrico, pero no para lugares pobres, en el interior de un continente o a gran altitud. Desafortunadamente, eso incluye algunos de los lugares con los mayores problemas de agua", y que "de hecho, es necesario elevar el agua 2000 m o transportarla a más de 1600 km para que los costos de transporte sean iguales a los de la desalinización". [47]
Por lo tanto, puede ser 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 desalinizada también es cara en lugares que están algo alejados del mar y algo elevados, como Riad y Harare . Por el contrario, en otros lugares los costos de transporte son mucho menores, como Pekín, Bangkok , Zaragoza , Phoenix y, por supuesto, ciudades costeras como Trípoli . [48] Después de la desalinización en Jubail , Arabia Saudita, el agua se bombea 320 km tierra adentro hasta Riad . [49] 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 . [50]
No todo el mundo está convencido de que la desalinización sea o vaya a ser económicamente viable o ambientalmente sostenible en el futuro previsible. Debbie Cook escribió en 2011 que las plantas de desalinización pueden consumir mucha energía y ser costosas. Por lo tanto, las regiones con estrés hídrico podrían hacer mejor en centrarse en la conservación u otras soluciones de suministro de agua en lugar de invertir en plantas de desalinización. [51]
La desalinización es un proceso artificial mediante el cual el agua salada (generalmente agua de mar ) se convierte en agua dulce. Los procesos de desalinización más comunes son la destilación y la ósmosis inversa . [52]
Existen varios métodos. [53] Cada uno tiene ventajas y desventajas, pero todos son útiles. Los métodos se pueden dividir en métodos basados en membranas (por ejemplo, ósmosis inversa ) y métodos basados en calor (por ejemplo, destilación flash multietapa ). [2] El proceso tradicional de desalinización es la destilación (es decir, hervir y volver a condensar el agua de mar para dejar atrás la sal y las impurezas). [54]
Actualmente existen dos tecnologías con una gran mayoría de la capacidad de desalinización mundial: 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 del mar lo suficiente para que se produzca la evaporación. [55] Después de la evaporación, el vapor de agua se condensa en una superficie fría. [55] Hay dos tipos de desalinización solar. El primer tipo utiliza células fotovoltaicas para convertir la energía solar en energía eléctrica para alimentar 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 radiación solar . Estos efectos se han incluido en una metodología de desalinización multidisciplinaria en el invernadero IBTS . El IBTS es una planta de desalinización (energía) industrial por un lado y un invernadero que opera con el ciclo natural del agua (reducido a escala 1:10) por el otro lado. Los diversos procesos de evaporación y condensación se llevan a cabo en servicios públicos de baja tecnología, parcialmente subterráneos y en la forma arquitectónica del propio edificio. Este sistema biotecnológico integrado es el más adecuado para la ecologización de desiertos a gran escala, ya que tiene una huella de km2 para la destilación de agua y la misma para la transformación del paisaje en la ecologización de desiertos, respectivamente la regeneración de los ciclos naturales de agua dulce. [ cita requerida ]
En la destilación al vacío se reduce la presión atmosférica, lo que reduce la temperatura necesaria 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. En efecto, los líquidos hierven a una temperatura más baja, cuando la presión atmosférica ambiental es menor que la presión atmosférica habitual. Por lo tanto, debido a la presión reducida, se puede utilizar el calor residual a baja temperatura de la generación de energía eléctrica o de los procesos industriales.
El agua se evapora y se separa del agua de mar a través de una destilación flash de múltiples etapas , que es una serie de evaporaciones flash . [55] Cada proceso flash posterior utiliza energía liberada de la condensación del vapor de agua del paso anterior. [55]
La destilación por efecto múltiple (MED) funciona a través de una serie de pasos llamados "efectos". [55] El agua entrante se rocía sobre tuberías que luego se calientan para generar vapor. El vapor se utiliza luego para calentar el siguiente lote de agua de mar entrante. [55] Para aumentar la eficiencia, el vapor utilizado para calentar el agua de mar se puede tomar de plantas de energía cercanas. [55] Aunque este método es el más eficiente termodinámicamente entre los métodos alimentados por calor, [56] existen algunas limitaciones, como una temperatura máxima y un número máximo de efectos. [57]
La evaporación por compresión de vapor implica el uso de un compresor mecánico o una corriente de chorro para comprimir el vapor presente sobre el líquido. [56] El vapor comprimido se utiliza luego para proporcionar el calor necesario para la evaporación del resto del agua de mar. [55] Dado que este sistema solo requiere energía, es más rentable si se mantiene a pequeña escala. [55]
Los sistemas de desalinización impulsados por las olas generalmente convierten el movimiento mecánico de las olas directamente en energía hidráulica para la ósmosis inversa. [58] Estos sistemas tienen como objetivo maximizar la eficiencia y reducir los 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 de las olas. [59] Un ejemplo de ello es CETO , una tecnología de energía de las olas que desaliniza el agua de mar utilizando boyas sumergidas. [60] Las plantas de desalinización impulsadas por las olas comenzaron a operar en Garden Island en Australia Occidental en 2013 [61] y en Perth en 2015. [62]
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 el agua pura en el lado más frío. [63] El diseño de la membrana puede tener un efecto significativo en la eficiencia y la durabilidad. Un estudio descubrió que una membrana creada mediante electrohilado coaxial de PVDF - HFP y aerogel de sílice fue capaz de filtrar el 99,99 % de la sal después de un uso continuo de 30 días. [64]
El proceso líder para la desalinización en términos de capacidad instalada y crecimiento anual es la ósmosis inversa (OI). [66] Los procesos de membrana 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 membrana de plantas de ósmosis inversa suelen utilizar menos energía que los procesos de desalinización térmica. [56] 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 las fuentes de agua tradicionales, pero se espera que los costos sigan disminuyendo con las mejoras tecnológicas que incluyen, entre otras, una mayor eficiencia, [67] reducción de la huella de carbono de la planta, mejoras en la operación y optimización de la planta, un pretratamiento de alimentación más eficaz y fuentes de energía de menor costo. [68]
La ósmosis inversa utiliza una membrana compuesta de película delgada, que comprende una película delgada de poliamida aromática ultradelgada. Esta película de poliamida le da a la membrana sus propiedades de transporte, mientras que el resto de la membrana compuesta de película delgada proporciona soporte mecánico. La película de poliamida es un polímero denso, sin huecos, con una gran área de superficie, lo que le permite una alta permeabilidad al agua. [69] Un estudio reciente ha descubierto que la permeabilidad al agua está determinada principalmente por la distribución de masa interna a escala nanométrica de la capa activa de poliamida. [70]
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 ósmosis inversa se destruyen. Para mitigar el daño, se introducen varias etapas de pretratamiento. Los inhibidores antiincrustaciones incluyen ácidos y otros agentes como los polímeros orgánicos poliacrilamida y ácido polimaleico, fosfonatos y polifosfatos . Los inhibidores de las incrustaciones son biocidas (como oxidantes contra bacterias y virus), como cloro, ozono, hipoclorito de sodio o calcio. A intervalos regulares, dependiendo de la contaminación de la membrana; condiciones fluctuantes del agua de mar; o cuando lo soliciten los procesos de monitoreo, las membranas deben limpiarse, lo que se conoce como lavado de emergencia o de choque. El lavado se realiza con inhibidores en una solución de agua dulce y el sistema debe desconectarse. Este procedimiento es ambientalmente riesgoso, ya que el agua contaminada se desvía hacia el océano sin tratamiento. Los hábitats marinos sensibles pueden sufrir daños irreversibles. [71] [72]
Las unidades de desalinización alimentadas con energía solar fuera de la red utilizan energía solar para llenar un tanque de almacenamiento en una colina con agua de mar. [73] El proceso de ósmosis inversa recibe su alimentación de agua de mar presurizada en horas sin luz solar por gravedad, lo que resulta en una producción sostenible de agua potable sin la necesidad de combustibles fósiles, una red eléctrica o baterías. [74] [75] [76] Los nanotubos también se utilizan para la misma función (es decir, ósmosis inversa).
La ósmosis directa utiliza una membrana semipermeable para separar el 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 extraer agua dulce del agua salada. El agua salada se rocía durante las condiciones de congelación en una plataforma donde se acumula una pila de hielo. Cuando las condiciones estacionales se calientan, se recupera el agua derretida desalinizada naturalmente. Esta técnica se basa en períodos prolongados de condiciones naturales de temperaturas por debajo del punto de congelación. [77]
Otro método 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 derrite y se desvía para su recolección, 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. [78] Existen varias variantes de la 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. [79] 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. [80]
Las celdas 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 desalinización depende de la salinidad del agua. La desalinización de agua salobre requiere menos energía que la desalinización de agua de mar . [81]
La intensidad energética de la desalinización de agua de mar ha mejorado: ahora es de aproximadamente 3 kWh/m3 ( en 2018), una reducción de un factor de 10 respecto de los 20-30 kWh/m3 de 1970. [8] : 24 Esto es similar al consumo de energía de otros suministros de agua dulce transportados a grandes distancias, [82] pero mucho más alto que los suministros de agua dulce locales que utilizan 0,2 kWh/m3 o menos. [83]
Se ha determinado un consumo mínimo de energía para la desalinización de agua de mar de alrededor de 1 kWh/m 3 [81] [84] [85] , excluyendo el prefiltrado y el bombeo de entrada/salida. Se ha logrado menos de 2 kWh/m 3 [86] 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 [81] .
Si se abasteciera todo el agua doméstica de Estados Unidos mediante desalinización, el consumo de energía doméstica aumentaría en un 10% aproximadamente, aproximadamente la cantidad de energía utilizada por los refrigeradores domésticos. [87] El consumo doméstico es una fracción relativamente pequeña del uso total de agua. [88]
Nota: El "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 continúan cayendo.
La cogeneración es la generación de calor excedente y generación de electricidad a partir de un único proceso. La cogeneración puede proporcionar calor utilizable para la desalinización en una instalación integrada, o de "doble propósito", en la que 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 puede producirse energía excedente e incorporarse a la red eléctrica. La cogeneración adopta diversas formas y, en teoría, se podría utilizar cualquier forma de producción de energía. Sin embargo, la mayoría de las plantas de desalinización de cogeneración actuales y planificadas utilizan combustibles fósiles o energía nuclear como fuente de energía. La mayoría de las plantas están ubicadas en Oriente Medio o el norte de África, que utilizan sus recursos petrolíferos para compensar los recursos hídricos limitados. La ventaja de las instalaciones de doble propósito es que pueden ser más eficientes en el consumo de energía, lo que hace que la desalinización sea más viable. [90] [91]
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. Estas instalaciones se han implementado en Arabia Saudita en Jeddah y Yanbu . [92]
Un superportaaviones típico del ejército estadounidense es capaz de utilizar energía nuclear para desalinizar 1.500.000 L (330.000 galones imperiales; 400.000 galones estadounidenses) de agua por día. [93]
El aumento de la conservación y la 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. [94] La recuperación de aguas residuales proporciona múltiples beneficios con respecto a la desalinización de agua salada, [95] aunque normalmente utiliza membranas desalinizadoras. [96] La escorrentía urbana y la captura de aguas pluviales también proporcionan beneficios en el tratamiento, la restauración y la recarga de las aguas subterráneas. [97]
Una alternativa propuesta a la desalinización en el suroeste de Estados Unidos es la importación comercial de agua a granel desde zonas ricas en agua, ya sea mediante petroleros reconvertidos en transportadores de agua o mediante oleoductos. La idea es políticamente impopular en Canadá, donde los gobiernos impusieron barreras comerciales a las exportaciones de agua a granel como resultado de una demanda en el marco del Tratado de Libre Comercio de América del Norte (TLCAN). [98]
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 urbana alcancen un estándar de eficiencia de uso de 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. [99] [100] [101]
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, la financiación y la eliminación de concentrados. Los costos de desalinización de agua de mar (infraestructura, energía y mantenimiento) son generalmente más altos que los del agua dulce de los ríos o las aguas subterráneas , el reciclaje del agua y la conservación del agua , pero no siempre hay alternativas disponibles. Los costos de desalinización en 2013 oscilaron entre US$0,45 y US$1,00/m3 . 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. [102]
El costo del agua dulce sin tratar en el mundo en desarrollo puede alcanzar los 5 dólares por metro cúbico. [103]
Los destiladores controlan la presión, la temperatura y las concentraciones de salmuera para optimizar la eficiencia. La desalinización con energía nuclear podría resultar económica a gran escala. [108] [109]
En 2014, las instalaciones israelíes de Hadera, Palmahim, Ashkelon y Sorek desalinizaban agua por menos de 0,40 dólares estadounidenses por metro cúbico. [110] En 2006, Singapur desalinizaba agua por 0,49 dólares estadounidenses por metro cúbico. [111]
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 de desalinización. 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 resultar heridos por el calor, el estrés físico o los productos químicos. Los organismos más grandes pueden morir o resultar heridos cuando quedan atrapados contra las rejillas en la parte delantera de una estructura de toma. [112] Otros tipos de tomas que mitigan estos impactos incluyen pozos de playa, pero requieren más energía y costos más altos. [113]
La planta desalinizadora de Kwinana se inauguró en la ciudad australiana de Perth en 2007. El agua de allí y de la planta desalinizadora de Gold Coast en Queensland y de la planta desalinizadora de Kurnell en Sídney se extrae a 0,1 m/s (0,33 pies/s), lo que es lo suficientemente lento como para permitir que los peces escapen. La planta proporciona casi 140.000 m3 ( 4.900.000 pies cúbicos) de agua limpia por día. [114]
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 térmicas). [115] [116] El pretratamiento químico y la limpieza son una necesidad en la mayoría de las plantas de desalinización, que normalmente incluyen 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 membranas. [117]
Para limitar el impacto ambiental de la devolución de 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 energía. En el caso de plantas de energía y desalinizadoras de tamaño mediano a grande, es probable que el flujo de agua de enfriamiento de la planta de energía sea varias veces mayor que el de la planta de desalinización, lo que reduce la salinidad de la combinación. Otro método para diluir la salmuera es mezclarla a través de un difusor en una zona de mezcla. Por ejemplo, una vez que una tubería que contiene la salmuera llega al fondo del mar, se puede dividir 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 la planta de energía o de aguas residuales. Además, se pueden adoptar sistemas de descarga cero de líquidos para tratar la salmuera antes de su eliminación. [115] [118]
Otra posibilidad es hacer que la planta desalinizadora sea móvil, evitando así que la salmuera se acumule en un único lugar (ya que sigue produciéndose en la planta desalinizadora). Se han construido algunas plantas desalinizadoras móviles de este tipo (conectadas a barcos). [119] [120]
La salmuera es más densa que el agua de mar y, por lo tanto, se hunde hasta el fondo del océano y puede dañar el ecosistema. Se ha visto que las columnas de salmuera disminuyen con el tiempo hasta una concentración diluida, hasta el punto de que el efecto sobre el medio ambiente circundante es mínimo o nulo. Sin embargo, los estudios han demostrado que la dilución puede ser engañosa debido a la profundidad a la que se produjo. Si la dilución se observó durante la temporada de verano, existe la posibilidad de que se haya producido un evento de termoclina estacional que podría haber impedido que la salmuera concentrada se hundiera hasta el fondo del mar. Esto tiene el potencial de no alterar el ecosistema del fondo marino, sino las aguas que se encuentran por encima de él. Se ha visto que la dispersión de salmuera de las plantas de desalinización viaja a varios kilómetros de distancia, lo que significa que tiene el potencial de causar daños a los ecosistemas alejados de las plantas. Una reintroducción cuidadosa con las medidas adecuadas y estudios ambientales puede minimizar este problema. [121] [122]
Se espera que la demanda energética para la desalinización en Oriente Medio, impulsada por la grave escasez de agua , se duplique para 2030. En la actualidad, este proceso utiliza principalmente combustibles fósiles , que comprenden más del 95% de su fuente de energía. En 2023, la desalinización consumió casi la mitad de la energía del sector residencial en la región. [123]
Debido a la naturaleza del proceso, es necesario ubicar las plantas en aproximadamente 25 acres de tierra en o cerca de la costa. [124] En el caso de una planta construida en el interior, se deben colocar tuberías en el suelo para permitir una fácil entrada y salida. [124] Sin embargo, una vez que las tuberías se colocan en el suelo, existe la posibilidad de que se filtren y contaminen los acuíferos cercanos. [124] Además de los riesgos ambientales, el ruido generado por ciertos tipos de plantas de desalinización puede ser fuerte. [124]
La desalinización elimina el yodo del agua y podría aumentar el riesgo de trastornos por deficiencia de yodo . Los investigadores israelíes afirmaron que existía un posible vínculo entre la desalinización del agua de mar y la deficiencia de yodo, [125] encontrando déficits de yodo entre los adultos expuestos a agua pobre en yodo [126] al mismo tiempo que una proporción cada vez mayor del agua potable de su área provenía de ósmosis inversa de agua de mar (SWRO). [127] Más tarde encontraron probables trastornos por deficiencia de yodo en una población que dependía del agua de mar desalinizada. [128] Los investigadores israelíes sugirieron un posible vínculo entre el uso intensivo de agua desalinizada y la deficiencia nacional de yodo. [129] 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 están por debajo del rango de adecuación de la OMS. [130] También señalaron la dependencia nacional de agua desalinizada pobre en yodo, la ausencia de un programa universal de yodación de la sal y los informes de un mayor uso de medicamentos para la tiroides en Israel como posibles razones de que la ingesta de yodo de la población sea baja. [131] En el año en que se realizó la encuesta, la cantidad de agua producida en las plantas de desalinización 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. [132]
Otras técnicas de desalinización incluyen:
Las tecnologías de desalinización impulsadas térmicamente se sugieren con frecuencia para su uso 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. [56] De hecho, dicha combinación con el calor residual puede incluso mejorar el proceso eléctrico: los generadores diésel suelen proporcionar electricidad en áreas remotas. Alrededor del 40-50% de la producción de energía es calor de bajo grado que sale del motor a través del escape. La conexión de una tecnología de desalinización térmica, como un sistema de destilación de membrana , al escape del motor diésel reutiliza este calor de bajo grado 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 neutral. La empresa holandesa Aquaver encargó una planta de ejemplo en Gulhi , Maldivas. [133] [134]
La desalinización térmica a baja temperatura (LTTD, por sus siglas en inglés), que surgió originalmente de la investigación sobre la conversión de energía térmica oceánica , aprovecha la ebullición del agua a baja presión, incluso a temperatura ambiente . El sistema utiliza bombas para crear un entorno 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 oceánica fría 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. La LTTD puede aprovechar el gradiente de temperatura disponible en las centrales eléctricas, donde se descargan grandes cantidades de aguas residuales cálidas de la planta, lo que reduce el aporte de energía necesario para crear un gradiente de temperatura. [135]
En Estados Unidos y Japón se llevaron a cabo experimentos para probar este enfoque. En Japón, la Universidad de Saga probó un sistema de evaporación por aspersión instantánea. [136] 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 (1600 pies). El Instituto Nacional de Tecnología Oceánica (NIOT) de la India estudió la LTTD en 2004. Su primera planta 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 US gal)/día, con un coste de capital de 50 millones de INR (922 000 €). La planta utiliza aguas profundas a una temperatura de entre 10 y 12 °C (50 a 54 °F). [137] En 2007, NIOT abrió una planta experimental flotante de LTTD frente a la costa de Chennai , con una capacidad de 1.000.000 L (220.000 galones imperiales; 260.000 galones estadounidenses)/día. En 2009 se estableció una planta más pequeña en la Central Térmica del Norte de Chennai para probar la aplicación de LTTD donde hay agua de refrigeración de la planta de energía disponible. [135] [138] [139]
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. [140]
El invernadero de agua de mar utiliza procesos naturales de evaporación y condensación dentro de un invernadero alimentado por energía solar para cultivar cultivos en tierras costeras áridas.
En 2022, utilizando una técnica que utiliza múltiples etapas de polarización de concentración de iones seguida de una sola etapa de electrodiálisis , investigadores del MIT logran crear una unidad de desalinización portátil sin filtro, capaz de eliminar tanto sales disueltas como sólidos suspendidos . [141] Diseñado para su uso por no expertos en áreas 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. [141] El proceso está completamente automatizado, notificando 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 energéticamente, consumiendo solo 20 vatios-hora por litro de agua potable producida, lo que lo hace capaz de ser alimentado por paneles solares portátiles comunes . El uso de un diseño sin filtros a bajas presiones o filtros reemplazables reduce significativamente los requisitos de mantenimiento, mientras que el dispositivo en sí es autolimpiante. [142] Sin embargo, el dispositivo está limitado a producir 0,33 litros de agua potable por minuto. [141] También existe la preocupación de que la suciedad 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. [142]
La desalinización basada en adsorción (AD) se basa en las propiedades de absorción de humedad de ciertos materiales como el gel de sílice. [143]
Un proceso fue comercializado por Modern Water PLC utilizando ósmosis directa , y se informó que varias plantas están en funcionamiento. [144] [145] [146]
La idea del método es que cuando el hidrogel se pone en contacto con una solución acuosa de sal, se hincha y absorbe 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 provoca un cambio en la concentración de sal, mientras que la compresión en un sistema abierto, mientras el gel intercambia iones con la masa, provoca 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, el método no es sensible a la calidad del agua de alimentación ni a sus cambios estacionales, y permite la producción de agua de cualquier concentración deseada. [147]
Estados Unidos, Francia y los Emiratos Árabes Unidos están trabajando para desarrollar una desalinización solar práctica . [148] El WaterStillar de AquaDania se ha instalado en Dahab, Egipto, y en Playa del Carmen, México. En 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 destiladores convencionales. Elimina la necesidad de botellas de plástico PET o de transporte de agua que consume energía. [149] En California central, una empresa emergente WaterFX está desarrollando un método de desalinización alimentado con energía solar que puede permitir el uso de agua local, incluida el agua de escorrentía que puede tratarse y reutilizarse. El agua subterránea salada de la región se trataría para convertirla en agua dulce, y en áreas cercanas al océano, se podría tratar el agua de mar. [150]
El proceso Passarell utiliza una presión atmosférica reducida en lugar de calor para impulsar la desalinización por evaporación. El vapor de agua puro generado por la destilación se comprime y condensa utilizando un compresor avanzado. El proceso de compresión mejora la eficiencia de la destilación al crear la presión reducida en la cámara de evaporación. El compresor centrifuga el vapor de agua puro después de que pasa por un desempañador (que elimina las impurezas residuales) y hace que se comprima contra los tubos de la cámara de recolección. La compresión del vapor aumenta su temperatura. El calor se transfiere al agua de entrada que cae en los tubos, vaporizándola. El vapor de agua se condensa en el exterior de los tubos como agua de producto. Al combinar varios procesos físicos, Passarell permite que la mayor parte de la energía del sistema se recicle a través de sus procesos de evaporación, desempañado, compresión de vapor, condensación y movimiento de agua. [151]
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, tanto desde el punto de vista ambiental como económico. [ cita requerida ]
Las membranas de nanotubos con una permeabilidad mayor que la de las membranas de la generación actual pueden conducir a una reducción en el espacio ocupado por las plantas de desalinización por ósmosis inversa. También se ha sugerido que el uso de dichas membranas conducirá a una reducción de la energía necesaria para la desalinización. [152]
Se ha demostrado que las membranas nanocompuestas sulfonadas herméticas son capaces de eliminar diversos contaminantes a niveles de partes por mil millones y tienen poca o ninguna susceptibilidad a altos niveles de concentración de sal. [153] [154] [155]
Las membranas biomiméticas son otro enfoque. [156]
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. De ser cierto, este proceso consumiría la mitad de energía que otros procesos. [157] En 2012, una planta de demostración estaba funcionando en Singapur. [158] Investigadores de la Universidad de Texas en Austin y la Universidad de Marburgo están desarrollando métodos más eficientes de desalinización de agua de mar con mediación electroquímica. [159]
Se puede utilizar un proceso que emplea ondas de choque electrocinéticas para lograr la desalinización sin membranas a temperatura y presión ambiente. [160] 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, dejando agua dulce. La eficiencia energética teórica de este método está a la par con la electrodiálisis y la ósmosis inversa .
La extracción de solventes por oscilación de temperatura (TSSE) utiliza un solvente en lugar de una membrana o altas temperaturas.
La extracción con disolventes es una técnica común en ingeniería química . Puede activarse mediante calor de baja intensidad (menos de 70 °C (158 °F), que puede no requerir calentamiento activo. En un estudio, la TSSE eliminó hasta el 98,4 por ciento de la sal en salmuera. [161] Se añade un disolvente cuya solubilidad varía con la temperatura al agua salada. A temperatura ambiente, el disolvente extrae las moléculas de agua de la sal. A continuación, el disolvente cargado de agua se calienta, lo que hace que libere el agua ahora libre de sal. [162]
Puede desalinizar salmuera extremadamente salada hasta siete veces más salada que el océano. A modo de comparación, los métodos actuales sólo pueden procesar salmuera dos veces más salada.
Un sistema marino de pequeña escala utiliza la energía de las olas para desalinizar entre 30 y 50 m3 al día. El sistema funciona sin energía externa y está construido con botellas de plástico recicladas. [163]
Trade Arabia afirma que Arabia Saudita produce 7,9 millones de metros cúbicos de agua desalinizada diariamente, o el 22% del total mundial a fines de 2021. [164]
A medida que las nuevas innovaciones tecnológicas continúan reduciendo el costo de capital de la desalinización, más países están construyendo plantas de desalinización como un pequeño elemento para abordar sus problemas de escasez de agua . [172]
En 2008, "según la Asociación Internacional de Desalinización, 13.080 plantas de desalinización producen más de 12 mil millones de galones de agua al día en todo el mundo". [186] Una estimación realizada en 2009 determinó que el suministro mundial de agua desalinizada se triplicará entre 2008 y 2020. [187]
Uno de los mayores centros de desalinización del mundo es el complejo de generación de energía y producción de agua de Jebel Ali , en los Emiratos Árabes Unidos . Se trata de un sitio que cuenta con múltiples plantas que utilizan diferentes tecnologías de desalinización y es capaz de producir 2,2 millones de metros cúbicos de agua por día. [188]
Un portaaviones típico del ejército estadounidense utiliza energía nuclear para desalinizar 400.000 galones estadounidenses (1.500.000 L) de agua por día. [189]
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 menos que en el agua de mar.
Las aves marinas destilan el 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 por encima del pico. Luego, el ave "estornuda" la salmuera. Como el agua dulce no suele estar disponible en sus entornos, algunas aves marinas, como los pelícanos , petreles , albatros , gaviotas y charranes , poseen esta glándula, que les permite beber el agua salada de sus entornos mientras están lejos de la tierra. [190] [191]
Los árboles de manglares crecen en 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 al exterior de la hoja en forma de pequeños cristales , que luego se caen de la hoja.
Los sauces y los juncos absorben la sal y otros contaminantes, desalinizando eficazmente el agua. Esto se utiliza en humedales artificiales construidos para tratar las aguas residuales . [192]
A pesar de los problemas asociados con los procesos de desalinización, el apoyo público para su desarrollo puede ser muy alto. [193] [194] Una encuesta realizada en una comunidad del sur de California reveló que el 71,9% de todos los encuestados apoyaba el desarrollo de una planta de desalinización en su comunidad. [194] En muchos casos, la 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 un menor apoyo público para su desarrollo. [194]
Este proyecto es el primer sistema de energía undimotriz a escala comercial del mundo conectado a la red eléctrica y con capacidad para producir agua desalinizada.
