¿Puede el agua salada calmar nuestra sed creciente?

¿Puede el agua salada calmar nuestra sed creciente?

Un mundo cada vez más estresado por el agua da un nuevo vistazo a la desalinización. Parece bastante simple: saca la sal del agua para que sea potable.

Pero es mucho más complejo de lo que parece a primera vista. También es cada vez más crucial en un mundo en el que los recursos de agua dulce se tensan progresivamente debido al crecimiento de la población, el desarrollo, las sequías, el cambio climático y más. Es por eso que los investigadores y las compañías de los Estados Unidos a Australia están afinando un concepto de siglos de antigüedad que podría ser el futuro para saciar la sed del mundo.

"Cuando se trata de aumentar el suministro de agua, tiene cuatro opciones: aumentar la cantidad de reutilización, aumentar el almacenamiento, conservarlo o recurrir a una nueva fuente", dice Tom Pankratz, consultor de desalinización y editor actual de la publicación semanal. Informe de desalinización del agua. "Y para muchos lugares del mundo, la única fuente nueva es la desalinización".

Proceso costoso

La tecnología de desalación ha existido por siglos. En el Medio Oriente, la gente ha evaporado el agua subterránea o el agua de mar salobre, luego ha condensado el vapor para producir agua sin sal para beber o, en algunos casos, para el riego agrícola.

Con el tiempo, el proceso se ha vuelto más sofisticado. La mayoría de las instalaciones modernas de desalinización usan ósmosis inversa, en la que el agua se bombea a alta presión a través de membranas semipermeables que eliminan la sal y otros minerales.

En todo el mundo, alrededor de 300 millones de personas obtienen algo de agua dulce de más de las plantas de desalinización 17,000 en los países 150. Los países de Medio Oriente han dominado ese mercado por necesidad y disponibilidad de energía, pero ante la amenaza de escasez de agua dulce que se extiende por el mundo, otros se están uniendo rápidamente a sus filas. La capacidad de la industria está creciendo en torno a 8 por ciento por año, según Randy Truby, contralor y ex presidente de la Asociación Internacional de Desalación, un grupo industrial, con "explosiones de actividad" en lugares como Australia y Singapur.

En los Estados Unidos, se está construyendo una planta de $ 1 billones en Carlsbad, California, para proporcionar aproximadamente el 7 por ciento de las necesidades de agua potable para la región de San Diego. Cuando se conecte con 2015 tarde, será el más grande de América del Norte, con una capacidad de 50 millones de galones por día. Y California actualmente tiene propuestas de plantas de desalinización de 16 en proceso.


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La mayor parte del agua en la Tierra se encuentra en los océanos y otros cuerpos de agua salada.

Pero la desalinización es costosa. Mil galones de agua dulce de una planta de desalinización cuestan al consumidor estadounidense promedio $ 2.50 a $ 5, dice Pankratz, en comparación con $ 2 para agua dulce convencional.

También es un cerdo energético: las plantas de desalinización en todo el mundo consumen más de 200 millones de kilovatios-hora cada día, con costos de energía de aproximadamente 55 por ciento de los costos totales de operación y mantenimiento de las plantas. La mayoría de las plantas de ósmosis inversa consumen entre 3 y 10 kilovatios-hora de energía para producir un metro cúbico de agua dulce a partir del agua de mar. Las plantas de tratamiento de agua potable tradicionales generalmente se usan bien bajo 1 kWh por metro cúbico.

Y puede causar problemas ambientales, desde el desplazamiento de criaturas que habitan en el océano hasta la alteración adversa de las concentraciones de sal a su alrededor.

La investigación sobre una serie de mejoras de desalinización de agua de mar está en marcha para hacer el proceso más barato y más respetuoso con el medio ambiente - incluyendo la reducción de la dependencia de la energía procedente de combustibles fósiles, lo que perpetúa el círculo vicioso mediante la contribución al cambio climático que contribuye al agua dulce escasez en el primer lugar.

Mejora de Membrana

La mayoría de los expertos dicen que la ósmosis inversa es tan eficiente como lo que se obtendrá. Pero algunos investigadores están tratando de exprimir más mejorando las membranas usadas para separar la sal del agua.

Las membranas usadas actualmente para la desalinización son principalmente películas delgadas de poliamida enrolladas en un tubo hueco a través del cual el agua se menea. Una forma de ahorrar energía es aumentar el diámetro de las membranas, lo que está directamente relacionado con la cantidad de agua dulce que pueden generar. Las empresas se están moviendo cada vez más de las membranas de 8 pulgadas a 16 pulgadas de diámetro, que tienen cuatro veces el área activa.

"Se puede producir más agua, mientras que la reducción de la huella para el equipo", dice Harold Fravel Jr., director ejecutivo de la Asociación Americana de Tecnología de Membrana, una organización que promueve el uso de sistemas de purificación de agua.

Una gran cantidad de investigaciones sobre membranas se centran en los nanomateriales: materiales con una 100,000 veces menor que el diámetro de un cabello humano. Los investigadores del Massachusetts Institute of Technology informaron en 2012 que una membrana hecha de una hoja de átomos de carbono de un átomo de espesor llamada grafeno podría funcionar igual de bien y requerir menos presión para bombear agua que la poliamida, que es aproximadamente mil veces más gruesa. Menos presión significa menos energía para operar el sistema y, por lo tanto, menores costos de energía.

El grafeno no sólo es resistente y muy delgado, pero, a diferencia de poliamida, que no es sensible a los compuestos de tratamiento de agua como el cloro. En 2013, Lockheed Martin patentó la membrana Perforene, que es un átomo de espesor con agujeros lo suficientemente pequeños para atrapar la sal y otros minerales, pero que permiten que el agua pase.

Otra solución popular de nanomateriales son los nanotubos de carbono, dice Philip Davies, un investigador de la Universidad de Aston que se especializa en sistemas de eficiencia energética para el tratamiento del agua. Los nanotubos de carbono son atractivos por las mismas razones que el grafeno, material resistente y duradero empaquetado en un paquete pequeño, y pueden absorber más del 400% de su peso en sal.

Las membranas deben intercambiarse, por lo que la durabilidad de los nanotubos de carbono y la alta tasa de absorción podrían reducir la frecuencia de reemplazo, ahorrando tiempo y dinero.

La tecnología de membranas "suena sexy, pero no es fácil", dice Pankratz. "Existen desafíos de ingeniería al hacer algo tan delgado que aún mantiene la integridad".

El grafeno y los nanotubos de carbono están a décadas de uso generalizado, dice Wendell Ela, profesor de ingeniería química y ambiental de la Universidad de Arizona. "Los veo teniendo un impacto, pero es una salida".

Truby dijo que las barreras a la comercialización incluyen la ingeniería de materiales tan pequeños y hacer que las nuevas membranas sean compatibles con las plantas y la infraestructura actuales.

"Será fundamental actualizar los sistemas sin destruirlos y construir una planta completamente nueva", dice.

Osmosis delantera

Otros miran más allá de la ósmosis inversa a otro proceso conocido como ósmosis directa. En la ósmosis avanzada, el agua de mar es arrastrada al sistema por una solución que tiene sales y gases, lo que crea una gran diferencia de presión osmótica entre las soluciones. Las soluciones pasan a través de una membrana juntas, dejando atrás las sales.

Ela dice que la ósmosis directa será "probablemente la más eficiente como tratamiento previo y no como tratamiento aislado en plantas comerciales de agua de mar" porque la ósmosis inversa funciona mejor a gran escala. Como pretratamiento, la ósmosis directa puede alargar la vida útil de las membranas de ósmosis inversa y promover la salud general del sistema al reducir los desinfectantes necesarios y otras opciones de tratamiento previo.

El proceso debe utilizar menos energía que la ósmosis inversa, Ela dice, ya que es impulsado por la termodinámica. Pero los científicos del MIT verano pasado informaron que la ósmosis hacia adelante para la desalinización podría resultar más energía intensiva de ósmosis inversa debido a la alta concentración de sal en la solución resultante de la primera etapa.

Empresa británica agua moderna opera la primera planta comercial de ósmosis delantera en Omán, en la costa sureste de la Península Arábiga. Con 26,000 galones por día, el sistema tiene una capacidad mucho menor que la mayoría de los sistemas de ósmosis inversa a gran escala. Funcionarios de la compañía no devolvieron solicitudes de comentarios sobre la planta. Sin embargo, un informe de la compañía señaló que la planta tenía una reducción del porcentaje de energía de 42 en comparación con la ósmosis inversa.

Heather Cooley, directora del programa de agua con el Instituto del Pacífico, una organización de investigación de sostenibilidad con sede en California, dice que la mayoría de la tecnología de ósmosis avanzada aún se encuentra en la fase de investigación y desarrollo, y que el uso comercial es de cinco años a más de 10.

Solución de dilución

Otro enfoque para reducir el costo de la energía de la desalinización es RO-PRO, o ósmosis retardada presión de ósmosis inversa. obras RO-PRO mediante el paso de una fuente de agua dulce deteriorados, como en las aguas residuales, a través de una membrana hacia el sobrante solución altamente salina de ósmosis inversa, que normalmente se descarga al mar. La mezcla de los dos produce la presión y la energía que se utiliza para alimentar una bomba de ósmosis inversa.

Inspirado por un sistema utilizado por Statkraft, una compañía de energía renovable y energía hidroeléctrica con sede en Noruega, Amy Childress, profesora de ingeniería ambiental de la Universidad del Sur de California, y sus colegas ahora están pilotando RO-PRO en California. Childress dice que las estimaciones "optimistas" muestran que RO-PRO puede reducir la energía necesaria para el porcentaje de 30 de ósmosis inversa. Ella señala que algunas compañías no especificadas han mostrado interés en su piloto.

Recuperación y energía renovable

Fravel dice que muchas plantas están tratando de recuperar energía del proceso. Los turbocompresores, por ejemplo, toman la energía cinética de la corriente saliente de agua salada concentrada y la vuelven a aplicar al costado del agua de mar entrante. "Es posible que tenga 900 [libras por pulgada cuadrada] en el lado de alimentación y que el concentrado pueda estar saliendo en 700 psi. Eso es mucha energía en la corriente de concentrado ", dice.

Incorporar las energías renovables en el lado de la entrada de energía es un enfoque particularmente prometedor para mejorar la sostenibilidad de la desalinización. La descarga de agua antes de que llegue a las membranas también puede ahorrar energía. "Cuanto mejor pueda limpiar el agua antes de que entre en la ósmosis inversa, mejor funcionará", dice Fravel. Las plantas en Bahréin, Japón, Arabia Saudita y China están utilizando pretratamiento para un proceso más suave de ósmosis inversa.

Incorporar energías renovables en el lado de la entrada de energía es un enfoque particularmente prometedor para mejorar la sostenibilidad de la desalinización. Actualmente, un porcentaje estimado de 1 de agua desalinizada proviene de la energía de fuentes renovables, principalmente en instalaciones de pequeña escala. Pero las plantas más grandes están comenzando a agregar energías renovables a su cartera de energía.

Después de años de luchar contra la sequía, Australia trajo seis plantas de desalinización en línea de 2006 a 2012, invirtiendo más de $ 10 millones. Todas las plantas utilizan algunas fuentes de energía renovables, principalmente a través de parques eólicos cercanos que ponen energía en la red, dice Pankratz. Y la planta de desalinización de Sydney Water, que suministra aproximadamente el 15 por ciento de agua a la ciudad más poblada de Australia, está alimentada por compensaciones de la Capital Wind Farm de la turbina 67, a unas 170 millas al sur.

La energía solar es atractiva para muchos países pesados ​​de desalinización, particularmente en los países del Medio Oriente y el Caribe donde el sol es abundante. En uno de los proyectos más ambiciosos, la compañía energética de los Emiratos Árabes Unidos Masdar anunció en 2013 que está trabajando en la planta desalinizadora solar más grande del mundo, capaz de producir más de 22 millones de galones por día, con un lanzamiento planificado en 2020.

Impactos ambientales

Los planes para usar agua de mar, por supuesto, deben considerar las implicaciones para la vida marina. Muchas instalaciones de desalinización usan entradas al océano abierto; a menudo se filtran, pero el proceso de desalinización puede matar organismos durante la ingesta o dentro de las fases de tratamiento de la planta, dice Cooley. Las nuevas tomas subsuperficiales, que van debajo de la arena para usarlo como un filtro natural, podrían ayudar a aliviar esta preocupación.

Además, existe el problema de cómo deshacerse de una gran cantidad de agua muy salada después de la desalinización. Cada dos galones que toma una instalación significa un galón de agua potable y un galón de agua que es aproximadamente dos veces más salada que cuando entró. La mayoría de las plantas descargan esto nuevamente dentro del mismo cuerpo de agua que sirve como fuente de ingesta.

Ela dice que las plantas más pequeñas, como la planta de ósmosis directa en Omán, podrían ser el futuro de la tecnología de desalinización. La tecnología RO-PRO ofrece una forma de reducir la concentración de sal en la descarga, lo que puede dañar a las criaturas que viven en el fondo. Otro método que está ganando popularidad es el uso de difusores, una serie de boquillas que aumentan el volumen de agua de mar que se mezcla con la descarga del concentrado y previene las manchas de sal.

En uno de los estudios recientes más novedosos sobre la descarga oceánica, Davies de la Universidad de Aston calienta la descarga de salmuera con energía solar para convertir el cloruro de magnesio en óxido de magnesio, que él llama "un buen agente para absorber dióxido de carbono". La investigación sigue siendo la etapas nacientes, pero podrían tener el doble beneficio ambiental de reducir la descarga y eliminar CO2 del océano usando la energía solar para destinar el concentrado.

Tamaño sabio

Ela dice que las plantas más pequeñas, como la planta de ósmosis directa en Omán, podrían ser el futuro de la tecnología de desalinización. Muchas de las innovaciones más nuevas podrían tener sentido económico a una escala menor, y las empresas no tendrían que invertir tanto en infraestructura, afirma.

"En lugar de plantas grandes, podríamos llegar a 10,000 galones por día de plantas de desalinización", dice Ela. "Veo la descentralización y pequeñas plantas de desalinización que sirven a las comunidades pequeñas".

Esto también proporcionaría beneficios ambientales, como permitir que la energía renovable desempeñe un papel más importante, ya que es mucho más fácil alimentar a las plantas pequeñas con energía solar y eólica que las grandes, dice.

Pankratz dice desalación siempre será más caro que el tratamiento de agua dulce. Aún así, las innovaciones ayudarán a la desalinización se convierta en una opción cada vez más viable que la demanda de agua dulce crece en un mundo cada vez más sediento.

Ver la página principal de Ensia Este artículo apareció originalmente en ENSIA

Sobre el Autor

Brian BienkowskiBrian Bienkowski es editor de Environmental Health News y su sitio hermano, The Daily Climate. Tiene una maestría en periodismo ambiental y una licenciatura en marketing de la Universidad Estatal de Michigan. Vive con su perro salchicha en miniatura, Louie, en Lansing, Michigan.

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