Desalinización

Planta de desalinización inversa en Barcelona, España

La desalinización es un proceso que elimina los componentes minerales del agua salada. De manera más general, la desalinización se refiere a la eliminación de sales y minerales de una sustancia objetivo, como en la desalinización del suelo, que es un problema para la agricultura. El agua salada (especialmente el agua de mar) se desaliniza para producir agua apta para el consumo humano o el riego. El subproducto del proceso de desalinización es la salmuera. La desalinización se utiliza en muchos barcos y submarinos de alta mar. La mayor parte del interés moderno en la desalinización se centra 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 lluvias.

Debido a su consumo de energía, la desalinización del agua de mar es generalmente más costosa que el agua dulce de las aguas superficiales o subterráneas, el reciclaje 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. 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) tipos de energía.

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." La intensidad energética ha mejorado: ahora es de unos 3 kWh/m³ (en 2018), un factor de 10 menos que los 20-30 kWh/m³ de 1970 No obstante, la desalación representó cerca del 25% de la energía consumida por el sector del agua en 2016.

Aplicaciones

Schematic of a multistage flash desalinator
A – vapor en B – agua de mar en C – agua potable
D – saliente (gusto) E – condensar F – cambio de calor G – colección de condensación (agua desalinada)
H – calentador de salmuera
El recipiente de presión actúa como un intercambiador de calor contracorriente. Una bomba de vacío baja la presión en el recipiente para facilitar la evaporación del agua de mar calentada (brina) que entra en el recipiente desde el lado derecho (los tonos de ada indican una temperatura inferior). El vapor se condensa en las tuberías en la parte superior del recipiente en el que el agua del mar fresco se mueve de la izquierda a la derecha.

Actualmente hay unas 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 desalinizadora 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.

Actualmente, 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 la desalinización. Por lo general, solo es económicamente práctico para usos de alto valor (como usos domésticos e industriales) en áreas áridas. Sin embargo, hay un crecimiento en la desalinización para uso agrícola y zonas muy pobladas como Singapur o California. El uso más extenso está en el Golfo Pérsico.

Aunque se observa que los costos están cayendo y, en general, es positivo acerca de la tecnología para áreas prósperas cercanas a los océanos, un estudio de 2005 argumentó: "El agua desalinizada puede ser una solución para algunas regiones con estrés hídrico, pero no para lugares que son pobres, en lo profundo del interior de un continente, o a gran altura. Desafortunadamente, eso incluye algunos de los lugares con los mayores problemas de agua”, y, “De hecho, uno necesita elevar el agua 2000 m, o transportarla más de 1600 km para igualar los costos de transporte”. a los costos de desalinización."

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 desalada también es cara en lugares que están algo alejados del mar y algo altos, como Riyadh y Harare. Por el contrario, en otros lugares, los costos de transporte son mucho menores, como Beijing, Bangkok, Zaragoza, Phoenix y, por supuesto, ciudades costeras como Trípoli." Después de la desalinización en Jubail, Arabia Saudita, el agua se bombea 320 km tierra adentro hasta Riyadh. Para las ciudades costeras, la desalinización se ve cada vez más como una opción competitiva.

En 2023, Israel estaba utilizando la desalinización para reponer el suministro de agua del Mar de Galilea.

No todo el mundo está convencido de que la desalinización sea o sea económicamente viable o medioambientalmente 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 que invertir en plantas de desalinización.

Tecnologías

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.

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 métodos basados en métodos térmicos (p. ej., destilación instantánea multietapa). El proceso tradicional de desalinización es la destilación (es decir, hervir y recondensar el agua de mar para dejar atrás la sal y las impurezas).

Actualmente, existen dos tecnologías con una gran mayoría de la capacidad de desalinización del mundo: la destilación flash de varias etapas y la ósmosis inversa.

Destilación

Destilación solar

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. Después de la evaporación, el vapor de agua se condensa sobre una superficie fría. Hay dos tipos de desalación solar. El primer tipo utiliza células fotovoltaicas para convertir la energía solar en energía eléctrica para potenciar la desalinización. El segundo tipo convierte la energía solar en calor y se conoce como desalinización con energía solar térmica.

Evaporación natural

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 multidisciplinar en el Invernadero IBTS. El IBTS es una planta industrial de desalinización (energía) por un lado y un invernadero que opera con el ciclo natural del agua (a escala 1:10) por el otro lado. Los diversos procesos de evaporación y condensación están alojados en servicios públicos de baja tecnología, en parte subterráneos y en la forma arquitectónica del propio edificio. Este sistema biotecnológico integrado es más adecuado para la ecologización del desierto a gran escala, ya que tiene una huella de km² para la destilación del agua y lo mismo para la transformación del paisaje en la ecologización del desierto, respectivamente, la regeneración de los ciclos naturales de agua dulce.

Destilación al vacío

En la destilación al vacío se reduce la presión atmosférica, bajando así 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. Efectivamente, 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, los "residuos" Se puede emplear el calor de la generación de energía eléctrica o de procesos industriales.

Destilación instantánea de varias etapas

El agua se evapora y se separa del agua de mar mediante una destilación instantánea de varias etapas, que es una serie de evaporaciones instantáneas. Cada proceso flash subsiguiente utiliza la energía liberada de la condensación del vapor de agua del paso anterior.

Destilación de efecto múltiple

La destilación de efectos múltiples (MED) funciona a través de una serie de pasos llamados "efectos". El agua entrante se rocía en las tuberías que luego se calientan para generar vapor. Luego, el vapor se usa para calentar el siguiente lote de agua de mar entrante. Para aumentar la eficiencia, el vapor utilizado para calentar el agua de mar se puede tomar de centrales eléctricas cercanas. Aunque este método es el más termodinámicamente eficiente entre los métodos alimentados por calor, existen algunas limitaciones, como una temperatura máxima y una cantidad máxima de efectos.

Destilación por compresión de vapor

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. Luego, el vapor comprimido se usa para proporcionar el calor necesario para la evaporación del resto del agua de mar. Dado que este sistema solo requiere energía, es más rentable si se mantiene a pequeña escala.

Desaladora impulsada por olas

Los sistemas de desalinización impulsados por olas generalmente convierten el movimiento mecánico de las olas directamente en energía hidráulica para la ósmosis inversa. Dichos sistemas tienen como objetivo maximizar la eficiencia y reducir los costos al evitar la conversión a electricidad, minimizar el exceso de presurización por encima de la presión osmótica e innovar en los componentes hidráulicos y de energía de las olas. Un ejemplo de ello es CETO, una tecnología de energía de las olas que desaliniza el agua de mar utilizando boyas sumergidas. Las plantas de desalinización impulsadas por olas comenzaron a operar en Garden Island en Australia Occidental en 2013 y en Perth en 2015.

Destilación por membrana

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. 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.

Ósmosis

Ósmosis inversa

Representación esquemática de una planta de desalinización típica usando osmosis inversa. Se ha encontrado que las plantas híbridas de desalinización mediante la congelación de nitrógeno líquido junto con la osmosis inversa para mejorar la eficiencia.

El proceso líder en desalinización en términos de capacidad instalada y crecimiento anual es la ósmosis inversa (RO). Los procesos de membrana RO 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 plantas de ósmosis inversa suelen utilizar menos energía que los procesos de desalinización térmica. El costo de la energía en los procesos de desalinización varía considerablemente según 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 continúen disminuyendo con las mejoras tecnológicas que incluyen, entre otras, mayor eficiencia, reducción de la huella de la planta, mejoras en operación y optimización de plantas, pretratamiento de alimentación más efectivo y fuentes de energía de menor costo.

La ósmosis inversa utiliza una membrana compuesta de película delgada, que comprende una película delgada de poliamida aromática ultrafina. 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 y sin huecos con un área superficial alta, lo que permite su alta permeabilidad al agua. 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.

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 y descamación. En casos extremos, las membranas de RO se destruyen. Para mitigar el daño, 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 del ensuciamiento son biocidas (como oxidantes contra bacterias y virus), como el cloro, el ozono, el 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 al océano sin tratamiento. Los hábitats marinos sensibles pueden sufrir daños irreversibles.

Las unidades de desalinización alimentadas por energía solar fuera de la red usan energía solar para llenar un tanque de compensación en una colina con agua de mar. 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. Los nanotubos también se utilizan para la misma función (es decir, ósmosis inversa).

Ósmosis directa

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 un "dibujar" solución de alta concentración.

Congelar-descongelar

La desalinización por congelación y descongelación (o desalinización por congelación) utiliza la congelación para eliminar el agua dulce del agua salada. El agua salada se rocía durante las condiciones de congelación en una almohadilla donde se acumula una pila de hielo. Cuando las condiciones estacionales son cálidas, se recupera el agua de deshielo desalada naturalmente. Esta técnica se basa en períodos prolongados de condiciones naturales bajo cero.

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 derrite y se desvía para su recolección y se recolecta la sal.

Membrana de electrodiálisis

La electrodiálisis utiliza potencial eléctrico para mover las sales a través de pares de membranas cargadas, que atrapan la sal en canales alternos. Existen varias variaciones de la electrodiálisis, como la electrodiálisis convencional, la inversión de la electrodiálisis.

Desaladora microbiana

Las celdas de desalinización microbianas son sistemas electroquímicos biológicos que implementan el uso de bacterias electroactivas para potenciar la desalinización de agua in situ, aprovechando el gradiente natural de ánodo y cátodo de las bacterias electroactivas y creando así un supercondensador interno.

Aspectos de diseño

Consumo de energía

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.

La intensidad energética de la desalinización de agua de mar ha mejorado: ahora es de unos 3 kWh/m³ (en 2018), por un factor de 10 de 20-30 kWh/m³ en 1970. Esto es similar al consumo de energía de otros suministros de agua dulce transportados a grandes distancias, pero mucho más alto que los suministros locales de agua dulce que usan 0,2 kWh/m³ o menos.

Se ha determinado un consumo energético mínimo para la desalación de agua de mar del orden de 1 kWh/m³, excluyendo prefiltrado y bombeo de captación/emisor. Se han logrado menos de 2 kWh/m³ 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/m³.

Suministrar toda el agua doméstica de EE. UU. mediante desalinización aumentaría el consumo de energía doméstica en alrededor de un 10 %, aproximadamente la cantidad de energía utilizada por los refrigeradores domésticos. El consumo doméstico es una fracción relativamente pequeña del uso total de agua.

Nota: "Equivalente eléctrico" se refiere a la cantidad de energía eléctrica que podría generarse usando una cantidad dada de energía térmica y un generador de turbina apropiado. Estos cálculos no incluyen la energía necesaria para construir o rehabilitar elementos consumidos en el proceso.

Dada la naturaleza intensiva en energía de la desalinización, con 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.

Cogeneración

La cogeneración genera un exceso de calor y generación de electricidad a partir de un solo 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 se puede dedicar a la producción de agua potable (una instalación independiente), o el exceso de energía se puede producir e incorporar a la red de energía. La cogeneración adopta varias formas y, en teoría, se podría utilizar cualquier forma de producción de energía. Sin embargo, la mayoría de las plantas desaladoras de cogeneración actuales y previstas utilizan combustibles fósiles o energía nuclear como fuente de energía. La mayoría de las plantas están ubicadas en el Medio Oriente o África del Norte, que utilizan sus recursos de petróleo 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 más viable la desalinización.

The Shevchenko BN-350, a former nuclear-heated desalination unit in Kazakhstan

La tendencia actual en las instalaciones de doble propósito son las configuraciones híbridas, en las que el permeado de la desalación por ósmosis inversa se mezcla con el destilado de la desalación 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.

Un supercarrier típico del ejército de EE. UU. es capaz de usar la energía nuclear para desalinizar 1 500 000 L (330 000 gal imp; 400 000 gal EE. UU.) de agua al día.

Alternativas a la desalinización

La mayor eficiencia y conservación 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. La recuperación de aguas residuales proporciona múltiples beneficios sobre la desalinización de agua salada, aunque normalmente utiliza membranas de desalinización. La escorrentía urbana y la captura de aguas pluviales también brindan beneficios en el tratamiento, la restauración y la recarga de las aguas subterráneas.

Una alternativa propuesta a la desalinización en el suroeste de los Estados Unidos es la importación comercial de agua a granel de áreas ricas en agua, ya sea mediante petroleros convertidos en transportadores de agua o por tuberías. La idea es políticamente impopular en Canadá, donde los gobiernos impusieron barreras comerciales a las exportaciones de agua a granel como resultado de un reclamo del Tratado de Libre Comercio de América del Norte (TLCAN).

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 en el que recomiendan 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.

Costos

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 del concentrado. Los costos de desalinización del agua de mar (infraestructura, energía y mantenimiento) son generalmente más altos que el 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 costes de desalinización en 2013 oscilaron entre 0,45 y 1,00 USD/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.

El costo del agua dulce sin tratar en el mundo en desarrollo puede alcanzar los 5 dólares estadounidenses por metro cúbico.

Los alambiques de desalinización controlan la presión, la temperatura y las concentraciones de salmuera para optimizar la eficiencia. La desalinización con energía nuclear podría ser económica a gran escala.

En 2014, las instalaciones israelíes de Hadera, Palmahim, Ashkelon y Sorek desalinizaban agua por menos de 0,40 USD por metro cúbico. En 2006, Singapur desalinizaba agua a 0,49 dólares EE.UU. el metro cúbico.

Preocupaciones ambientales

Admisión

En los Estados Unidos, las estructuras de entrada 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 agua 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 lesionarse por el calor, el estrés físico o los productos químicos. Los organismos más grandes pueden morir o lesionarse cuando quedan atrapados contra las pantallas en la parte delantera de una estructura de entrada. Los tipos de toma alternativos que mitigan estos impactos incluyen pozos de playa, pero requieren más energía y costos más altos.

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 la planta desalinizadora Kurnell de Sydney se extrae a 0,1 m/s (0,33 pies). /s), que es lo suficientemente lento como para dejar escapar a los peces. La planta proporciona casi 140 000 m³ (4 900 000 pies cúbicos) de agua limpia al día.

Salida

Los procesos de desalinización producen grandes cantidades de salmuera, posiblemente por encima de la temperatura 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). La limpieza y el pretratamiento químico son una necesidad en la mayoría de las plantas de desalinización, 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.

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 energía. Con centrales eléctricas y plantas desalinizadoras medianas a grandes, 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 a través de 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 la planta de energía o de la planta de aguas residuales. Además, se pueden adoptar sistemas de descarga de líquido cero para tratar la salmuera antes de su eliminación.

Otra posibilidad es hacer que la planta desaladora sea móvil, evitando así que la salmuera se acumule en un solo lugar (ya que la sigue produciendo la planta desaladora). Se han construido algunas de estas plantas de desalinización móviles (conectadas a barcos).

La salmuera es más densa que el agua de mar y, por lo tanto, se hunde en 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, donde hubo poco o ningún efecto en el entorno circundante. 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 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 perturbar el ecosistema del fondo marino y, en cambio, las aguas que se encuentran sobre él. Se ha visto que la dispersión de salmuera de las plantas desalinizadoras viaja varios kilómetros, lo que significa que tiene el potencial de causar daño a los ecosistemas lejos de las plantas. Una cuidadosa reintroducción con las medidas adecuadas y estudios ambientales pueden minimizar este problema.

Otros problemas

Debido a la naturaleza del proceso, es necesario colocar las plantas en aproximadamente 25 acres de tierra en la costa o cerca de ella. En el caso de una planta construida tierra adentro, las tuberías deben colocarse en el suelo para permitir una fácil entrada y salida. Sin embargo, una vez que las tuberías se colocan en el suelo, existe la posibilidad de que se filtren y contaminen los acuíferos cercanos. Además de los riesgos ambientales, el ruido generado por ciertos tipos de plantas de desalinización puede ser alto.

Aspectos de salud

Deficiencia de yodo

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, y encontraron déficit de yodo entre los adultos expuestos a agua pobre en yodo al mismo tiempo que una proporción cada vez mayor del agua potable de su área proviene de la ósmosis inversa de agua de mar (SWRO). Más tarde encontraron probables trastornos por deficiencia de yodo en una población que dependía del agua de mar desalinizada. Investigadores israelíes sugirieron un posible vínculo entre el uso intensivo de agua desalinizada y la deficiencia nacional de yodo. 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 adecuado de la OMS. También señalaron la dependencia nacional del agua desalinizada sin 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 por las que la ingesta de yodo de la población es baja. 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 necesidades domésticas e industriales en Israel.

Técnicas experimentales

Otras técnicas de desalinización incluyen:

Calor residual

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. De hecho, tal combinación con el calor residual puede incluso mejorar el proceso eléctrico: Los generadores diesel comúnmente proporcionan electricidad en áreas remotas. Alrededor del 40% al 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 por membrana, al escape del motor diésel reutiliza este calor de baja calidad para la desalinización. El sistema enfría activamente el generador diesel, mejorando su eficiencia y aumentando su producción de electricidad. Esto da como resultado una solución de desalinización de energía neutra. La empresa holandesa Aquaver encargó una planta de ejemplo en marzo de 2014 para Gulhi, Maldivas.

Térmica de baja temperatura

La desalinización térmica a baja temperatura (LTTD, por sus siglas en inglés), derivada originalmente de la investigación de conversión de energía térmica oceánica, aprovecha el agua que hierve 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 fresca 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, lo que reduce la entrada de energía necesaria para crear un gradiente de temperatura.

Se realizaron experimentos en EE. UU. y Japón para probar el enfoque. En Japón, la Universidad de Saga probó un sistema de evaporación instantánea por aspersión. En Hawái, el Laboratorio Nacional de Energía probó una planta OTEC de ciclo abierto con agua dulce y producción de 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). LTTD fue estudiado por el Instituto Nacional de Tecnología Oceánica (NIOT) de India en 2004. Su primera planta LTTD abrió en 2005 en Kavaratti en las islas Lakshadweep. La capacidad de la planta es de 100 000 L (22 000 gal imp; 26 000 gal EE.UU.)/día, con un costo de capital de 50 millones INR (922 000 €). La planta utiliza agua profunda a una temperatura de 10 a 12 °C (50 a 54 °F). 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 gal imp; 260 000 gal EE.UU.)/día. En 2009 se estableció una planta más pequeña en la Central Térmica del Norte de Chennai para probar la aplicación LTTD donde se dispone de agua de refrigeración de la central eléctrica.

Proceso termoiónico

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.

Evaporación y condensación para cultivos

El invernadero Seawater utiliza procesos naturales de evaporación y condensación dentro de un invernadero alimentado por energía solar para cultivar en tierras áridas costeras.

Polarización de concentración de iones (ICP)

En 2022, investigadores del MIT lograron crear una unidad de desalinización portátil sin filtro, capaz de eliminar tanto las sales disueltas como los sólidos en suspensión, utilizando una técnica que utilizaba varias etapas de polarización de concentración de iones seguidas de una sola etapa de electrodiálisis. Diseñado para ser utilizado 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 cm³ y pesa 9,25 kg. 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 muy eficiente energéticamente, ya que consume solo 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 es autolimpiante. Sin embargo, el dispositivo se limita a producir 0,33 litros de agua potable por minuto. También existe la preocupación de que el ensuciamiento 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.

Otros enfoques

La desalinización basada en adsorción (DA) se basa en las propiedades de absorción de humedad de ciertos materiales como el gel de sílice.

Ósmosis directa

Modern Water PLC comercializó un proceso utilizando ósmosis directa, y se informó que varias plantas están en funcionamiento.

Desaladora basada en hidrogel

Esquema de la máquina de desalinización: la caja de desalinización del volumen Vbox{displaystyle V_{box} contiene un gel de volumen Vgel{displaystyle V_{gel} que está separado por un tamiz del volumen de la solución exterior Vout=Vbox− − Vgel{displaystyle V_{out}=V_{box}-V_{gel}. La caja está conectada a dos grandes tanques con salinidad alta y baja por dos grifos que se pueden abrir y cerrar como se desee. La cadena de cubos expresa el consumo de agua dulce seguido de rellenar el reservorio de baja seguridad por agua salada.

La idea del método radica en que cuando el hidrogel se pone en contacto con una solución salina acuosa, se hincha absorbiendo una solución con una composición de iones diferente a la original. Esta solución se puede exprimir 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 que el gel intercambia iones con la masa, provoca un cambio en el número de iones. La consecuencia de la compresión y la hinchazón 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 del grueso de baja salinidad al grueso 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 está libre del uso de membranas osmóticas, puede competir con el método de ósmosis inversa. Además, a diferencia de la ósmosis inversa, el enfoque no es sensible a la calidad del agua de alimentación y sus cambios estacionales, y permite la producción de agua de cualquier concentración deseada.

Solar a pequeña escala

Estados Unidos, Francia y los Emiratos Árabes Unidos están trabajando para desarrollar una desalinización solar práctica. El WaterStillar de AquaDania se instaló 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 alambiques convencionales. Elimina la necesidad de botellas de plástico PET o transporte de agua que consume energía. En el centro de California, una empresa nueva, 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 usarse nuevamente. El agua subterránea salada en la región se trataría para convertirla en agua dulce, y en áreas cercanas al océano, se podría tratar el agua de mar.

Pasarell

El proceso Passarell utiliza presión atmosférica reducida en lugar de calor para impulsar la desalinización por evaporación. El vapor de agua pura generado por la destilación luego se comprime y condensa usando 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 pura después de que pasa a través de un desempañador (eliminando las impurezas residuales) haciendo 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, vaporizando 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 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.

Geotermia

La energía geotérmica puede impulsar la desalinización. En la mayoría de los lugares, la desalinización geotérmica supera el uso de aguas subterráneas o superficiales escasas, ambiental y económicamente.

Nanotecnología

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 dichas membranas conducirá a una reducción de la energía necesaria para la desalinización.

Las membranas herméticas de nanocompuestos sulfonados han demostrado ser capaces de eliminar varios contaminantes al nivel de partes por billón y tienen poca o ninguna susceptibilidad a los niveles altos de concentración de sal.

Biomimesis

Las membranas biomiméticas son otro enfoque.

Electroquímica

En 2008, Siemens Water Technologies anunció una tecnología que aplicaba campos eléctricos para desalinizar un metro cúbico de agua usando solo 1,5 kWh de energía. Si es exacto, este proceso consumiría la mitad de la energía de otros procesos. A partir de 2012, una planta de demostración estaba operando en Singapur. 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.

Descargas electrocinéticas

Se puede utilizar un proceso que emplea ondas de choque electrocinéticas para lograr la desalinización sin membrana a temperatura y presión ambiente. En este proceso, los aniones y cationes del agua salada se intercambian por aniones de carbonato y cationes de calcio, respectivamente, mediante ondas de choque electrocinéticas. Los iones de calcio y carbonato reaccionan para formar carbonato de calcio, que se precipita y deja agua dulce. La eficiencia energética teórica de este método está a la par con la electrodiálisis y la ósmosis inversa.

Extracción por solvente con cambio de temperatura

La extracción con solvente por cambio de temperatura (TSSE) utiliza un solvente en lugar de una membrana o altas temperaturas.

La extracción con solvente es una técnica común en la ingeniería química. Puede activarse con calor de bajo grado (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. Un solvente cuya solubilidad varía con temperatura se agrega al agua salada. A temperatura ambiente, el solvente extrae las moléculas de agua de la sal. El solvente cargado de agua 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 el océano. A modo de comparación, los métodos actuales solo pueden manejar salmuera dos veces más salada.

Energía de las olas

Un sistema marino a pequeña escala utiliza la energía de las olas para desalinizar entre 30 y 50 m³/día. El sistema funciona sin energía externa y está construido con botellas de plástico recicladas.

Plantas

Trade Arabia afirma que Arabia Saudita producirá 7,9 millones de metros cúbicos de agua desalinizada diariamente, o el 22 % del total mundial a finales de 2021.

• Perth comenzó a operar una planta de desalinización de agua de mar osmosis inversa en 2006. La planta de desalinización Perth es alimentada parcialmente por energía renovable de la Emu Downs Wind Farm.
• Una planta de desalinización ahora opera en Sydney, y la planta de desalinización Wonthaggi estaba en construcción en Wonthaggi, Victoria. Una granja eólica en Bungendore en Nueva Gales del Sur fue construida a propósito para generar suficiente energía renovable para compensar el uso energético de la planta de Sydney, atenuando las preocupaciones sobre las emisiones dañinas de gases de efecto invernadero.
• A January 17, 2008, article in The Wall Street Journal "En noviembre, Poseidon Resources Corp, con sede en Connecticut, ganó una aprobación reglamentaria clave para construir la planta de desalización de agua de $300 millones en Carlsbad, al norte de San Diego. La instalación produciría 190.000 metros cúbicos de agua potable por día, lo suficiente para abastecer alrededor de 100.000 hogares. En junio de 2012, el costo del agua desalinada había aumentado a 2.329 dólares por acre-pie. Cada $1,000 por acre-foot funciona a $3.06 por 1.000 galones, o $0.81 por metro cúbico.

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.

• Israel desaliniza el agua por un costo de 53 centavos por metro cúbico
• Singapur desaliniza el agua para 49 centavos por metro cúbico y también trata el alcantarillado con osmosis inversa para uso industrial y potable (NEWater).
• China e India, los dos países más poblados del mundo, se están convirtiendo en desalación para proporcionar una pequeña parte de sus necesidades de agua
• En 2007 Pakistán anunció planes para utilizar la desalinización
• Todas las capitales australianas (excepto Canberra, Darwin, Territorio del Norte y Hobart) están en proceso de construir plantas de desalinización, o ya las están utilizando. A finales de 2011, Melbourne comenzará a utilizar la planta de desalinización más grande de Australia, la planta de desalinización Wonthaggi para elevar niveles bajos de embalse.
• En 2007 las Bermudas firmaron un contrato para comprar una planta de desalinización
• Antes de 2015, la planta de desalinización más grande de Estados Unidos estaba en Tampa Bay, Florida, que comenzó a desalinizar 25 millones de galones (95000 m3) de agua por día en diciembre de 2007. En los Estados Unidos, el costo de la desalinización es de $3,06 por 1.000 galones, o 81 centavos por metro cúbico. En los Estados Unidos, California, Arizona, Texas y Florida usan la desalinización para una parte muy pequeña de su suministro de agua. Desde 2015, la planta de desalización Claude "Bud" Lewis Carlsbad ha estado produciendo 50 millones de galones de agua potable diariamente.
• Después de ser desalinizado en Jubail, Arabia Saudita, el agua se bombea a 200 millas (320 km) interior aunque un oleoducto a la ciudad capital de Riad.

En 2008, "en todo el mundo, 13 080 plantas desalinizadoras producen más de 12 000 millones de galones de agua al día, según la Asociación Internacional de Desalinización." Una estimación en 2009 encontró que el suministro mundial de agua desalinizada se triplicará entre 2008 y 2020.

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. Es 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.

Un portaaviones típico del ejército de EE. UU. usa energía nuclear para desalinizar 400 000 galones estadounidenses (1 500 000 L) de agua por día.

En la naturaleza

Hoja de manglar con cristales de sal

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 una rete mirabile. La glándula secreta salmuera altamente concentrada almacenada cerca de las fosas nasales por encima del pico. El pájaro luego "estornuda" la salmuera. Como el agua dulce no suele estar disponible en su entorno, algunas aves marinas, como pelícanos, petreles, albatros, gaviotas y charranes, poseen esta glándula que les permite beber el agua salada de su entorno mientras están lejos de tierra.

Los manglares crecen en el agua de mar; secretan sal atrapándola en partes de la raíz, que luego son consumidas por 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 las cañas absorben la sal y otros contaminantes, desalinizando el agua de manera efectiva. Esto se utiliza en humedales construidos artificiales, para el tratamiento de aguas residuales.

Historia

La desalinización ha sido conocida en la historia durante milenios como un concepto y una práctica posterior, aunque de forma limitada. 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 también notó que un recipiente de cera fina podría contener agua potable después de estar sumergido lo suficiente en agua de mar, habiendo actuado como una membrana para filtrar la sal. Hay muchos otros ejemplos de experimentación en desalinización a lo largo de la Antigüedad y la Edad Media, pero la desalinización nunca fue factible a gran escala hasta la era moderna. Un buen ejemplo de esta experimentación son las observaciones 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. Durante la Edad Media en otras partes de Europa Central, se continuó trabajando en refinamientos en la destilación, aunque no necesariamente dirigidos a la desalinización.

Sin embargo, es posible que la primera gran planta desalinizadora en tierra se haya instalado en condiciones de emergencia en una isla frente a la costa de Túnez en 1560. Se cree que una guarnición de 700 soldados españoles fue sitiada por un gran número de turcos 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.

Antes de la Revolución Industrial, la desalinización era una preocupación principal para los barcos transoceánicos, que de lo contrario necesitaban mantener suministros de agua dulce a bordo. Sir Richard Hawkins (1562-1622), que realizó extensos viajes por los Mares del Sur, informó a su regreso que había podido suministrar a sus hombres agua dulce por medio de la destilación a bordo. Además, a principios del siglo XVII, varias figuras destacadas de la época, como Francis Bacon o Walter Raleigh, publicaron informes sobre la desalinización del agua. Estos informes y otros establecieron el clima para la primera disputa de patentes sobre aparatos de desalinización. Las dos primeras patentes relativas a la desalación de agua datan de 1675 y 1683 (patentes n.º 184 y n.º 226, publicadas por el Sr. William Walcot y el Sr. Robert Fitzgerald (y otros), respectivamente). Sin embargo, ninguno de los dos inventos se puso realmente en servicio como consecuencia de problemas técnicos derivados de las dificultades de escalado. No se realizaron mejoras significativas en el proceso básico de destilación de agua de mar durante algún tiempo durante los 150 años desde mediados del siglo XVII hasta 1800.

Cuando la fragata Protector fue vendida a Dinamarca en la década de 1780 (como el barco Hussaren) la planta desalinizadora fue estudiada y registrada con gran detalle. En los Estados Unidos recién formados, Thomas Jefferson catalogó los métodos basados en el calor que se remontan al siglo XVI y formuló consejos prácticos que se publicitaron en todos los barcos estadounidenses en el reverso de los permisos de autorización de navegación.

A partir de 1800, las cosas empezaron a cambiar muy rápidamente como consecuencia de la aparición de la máquina de vapor y la llamada era del vapor. El desarrollo de un conocimiento de la termodinámica de los procesos de vapor y la necesidad de una fuente de agua pura para su uso en calderas, generó un efecto positivo en los sistemas de destilación. Además, la expansión del colonialismo europeo indujo la necesidad de agua dulce en partes remotas del mundo, creando así el clima apropiado para la desalinización del agua.

Paralelamente al desarrollo y mejora de los sistemas que utilizan vapor (evaporadores de efecto múltiple), este tipo de dispositivos demostraron rápidamente su potencial en el campo de la desalación. 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 diseño simple y facilidad de construcción, rápidamente ganó popularidad para uso a bordo. Las unidades de desalinización en tierra no aparecieron significativamente hasta la segunda mitad del siglo XIX. En la década de 1860, el Ejército de los EE. UU. compró tres evaporadores Normandy, cada uno con capacidad para 7000 galones/día y los instaló en las islas de Key West y Dry Tortugas. Otra importante planta desalinizadora en tierra se instaló en Suakin durante la década de 1880 y pudo proporcionar agua dulce a las tropas británicas colocadas allí. Consistía en destiladores de seis efectos con una capacidad de 350 toneladas/día.

Después de la Segunda Guerra Mundial, en los Estados Unidos se llevó a cabo una importante investigación sobre métodos mejorados de desalinización. La Oficina de Agua Salina se creó en el Departamento del Interior de los Estados Unidos en 1955 de acuerdo con la Ley de Conversión de Agua Salina de 1952. Se fusionó con la Oficina de Investigación de Recursos Hídricos en 1974.

La primera planta desalinizadora industrial en los Estados Unidos se inauguró en Freeport, Texas, en 1961 con la esperanza de brindar seguridad hídrica a la región después de una década de sequía. El vicepresidente Lyndon B. Johnson asistió a la inauguración de la planta el 21 de junio de 1961. El presidente John F. Kennedy grabó un discurso desde la Casa Blanca, describiendo la desalinización como "un trabajo que en muchos sentidos es más importante que cualquier otra empresa científica en la que este país está ahora involucrado."

La investigación se llevó a cabo en universidades estatales de California, en Dow Chemical Company y DuPont. Muchos estudios se centran en formas de optimizar los sistemas de desalinización.

La primera planta desalinizadora comercial por ósmosis inversa, la planta desalinizadora Coalinga, se inauguró en California en 1965 para agua salobre. Unos años más tarde, en 1975, entró en funcionamiento la primera planta desalinizadora de agua de mar por ósmosis inversa.

Sociedad y cultura

A pesar de los problemas asociados con los procesos de desalinización, el apoyo público para su desarrollo puede ser muy alto. Una encuesta de una comunidad del sur de California mostró que el 71,9% de todos los encuestados apoyaban el desarrollo de plantas desalinizadoras en su comunidad. 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 poca escasez de agua tienden a tener menos apoyo público para su desarrollo.