Dessalinització d’aigua mitjançant sistemes d’evaporació al buit

Classificació

Les tecnologies emprades a data d’avui, en els processos de dessalació d’aigua poden classificar-se en funció de diversos criteris, principalment:

1. Canvi de fase de l’aigua a tractar.
2. Tipus d’energia.
3. Procés emprat.

En base a aquests criteris de classificació les principals tecnologies associades es divideixen en:

Tecnologies d’evaporació vs tecnologies de filtració

Actualment existeixen petites plantes d’evaporació per dessalar aigua de mar o aigua de pous salobres, que consumeixen petites quantitats d’energia elèctrica, que pot ser obtinguda mitjançant molins de vent, plaques fotovoltaiques o altres formes d’obtenir energia elèctrica renovable.

En els processos d’evaporació per a la obtenció d’aigua potable a partir d’aigua salada, el consum energètic no depèn de la salinitat de l’aigua a tractar, per la qual cosa són més avantatjosos des d’aquest punt de vista, com més salina sigui l’aigua d’entrada, respecte als processos d’òsmosi inversa.

Comparant ambdues tecnologies, es pot dir que les d’evaporació són molt efectives per a la producció d’aigua potable a partir d’aigua salada, independentment de la salinitat de l’aigua d’entrada, quant al seu baix consum energètic, només comparable amb l’òsmosi forçada (tecnologia de filtració), els consums energètics de la qual també són molt baixos.

En aquest article es pretén repassar de manera general les diferents tecnologies relatives a ambdós processos, així com tractar de recollir l’evolució i perspectives de les mateixes, començant pels processos d’evaporació precursors de les tecnologies de dessalinització.

Processos de dessalació mitjançant evaporació

Els orígens de les tecnologies de dessalació daten de l’època d’Aristòtil (384-322 a.C.) quan aquest va fabricar el primer evaporador conegut i en les seves obres parlava de la dessalació de l’aigua del mar.

Abans de l’aparició i industrialització de les membranes d’òsmosi inversa, cap a la meitat de la dècada dels 60, el mètode per dessalar aigua de mar i potabilitzar-la era exclusivament mitjançant equips d’evaporació que consumien una important quantitat d’energia.

Compressió Tèrmica de Vapor (TCV)

La compressió tèrmica de vapor obté l’aigua destil·lada amb el mateix procés que una destil·lació per múltiple efecte, però utilitza una font d’energia tèrmica diferent: són els anomenats compressors tèrmics (o termocompressors), que consumeixen vapor de mitja pressió provinent de la planta de producció elèctrica (si tenim una planta dual, sinó seria d’un vapor de procés obtingut expressament per a això) i que succiona part del vapor generat en l’última etapa a molt baixa pressió, comprimint-se i donant lloc a un vapor de pressió intermèdia a les anteriors adequat per aportar-se a la 1a etapa, que és l’única que consumeix energia en el procés.

El rendiment d’aquest tipus de plantes és similar al de les plantes MED (destil·lació per múltiple efecte), no obstant això, la seva capacitat dessaladora pot ser molt més gran en permetre’s una major adaptabilitat de presa de vapor de les plantes productores del mateix. Moltes vegades es consideren el mateix procés, però aquí es tractaran individualment ja que el consum d’energia de la planta es realitza per un equip diferent.

Destil·lació per Múltiple efecte (MED)

En els processos MED, l’aigua a tractar passa a través d’una sèrie d’ evaporadors posats en sèrie. El vapor d’una de les cel·les s’usa per evaporar l’aigua de la següent mentre que l’aportació d’energia primària es fa sobre la primera de les etapes.

Aquest tipus de plantes són de mida mitjana i estan especialment indicades en els casos de poder aprofitar calors residuals procedents d’instal·lacions de cogeneració, turbines…

Destil·lació sobtada (MSF)

L’aigua a dessalar es calenta a baixa pressió la qual cosa permet una evaporació sobtada i irreversible, repetint-se aquest procés en successives etapes en les quals la pressió disminueix segons diferents condicions.

Està indicat per a aigües la salinitat de les quals és elevada. També ho està en aigües de temperatures més altes i major contaminació. El major inconvenient que presenten les plantes MSF és l’alt consum energètic.

Actualment existeixen instal·lacions on es combina la producció d’energia elèctrica dels camps solars amb la producció d’aigua potable a partir de plantes d’evaporació tipus flash.

Compressió mecànica de vapor (CMV)

Els evaporadors al buit per compressió mecànica de vapor (CMV) evaporen el líquid, en aquest cas l’aigua salada, en un costat de la superfície d’intercanvi, i es comprimeix prou perquè condensi a l’altre costat i pugui així mantenir-se el cicle de destil·lació d’aigua, salvant les pèrdues del procés i l’elevació de la temperatura d’ebullició de l’aigua salada respecte a la pura.

Aquests petits equips són molt més fiables i senzills d’operar que els equips d’òsmosi inversa i gairebé no tenen manteniment, fet que els fa ideals per abastir d’aigua dolça petits nuclis de població, zones remotes, zones insulars, etc.

El consum específic d’aquestes instal·lacions és més baix que el dels altres processos de destil·lació: normalment el consum elèctric equivalent està sobre els 10 kWh/m3. El limitant més gran d’aquest tipus de tecnologia està en la mida màxima dels compressors volumètrics emprats. La seva capacitat màxima no permet produccions altes d’aigua dessalada.

Altres alternatives d’evaporació: Evaporació d’aigua al buit

Una altra forma d’obtenir aigua potable provinent del mar o fonts salobres és mitjançant evaporadors d’aigua al buit, que aprofiten fonts de calor residual procedent de circuits de refrigeració de motors de cogeneració. Això permet incrementar el percentatge de recuperació d’energia i assolir els objectius mínims per poder cobrar les primes d’energia venuda a la xarxa.

Processos de dessalació mitjançant filtració

No va ser fins després de la Segona Guerra Mundial que van començar a construir-se les primeres plantes dessaladores.

Òsmosi Forçada

Endinsant-se en el camp de les aplicacions industrials, en les quals l’òsmosi inversa gaudeix d’una hegemonia clara per la seva eficàcia, al voltant d’aquesta existeix una sèrie de tècniques complementàries que en situacions concretes poden fins i tot millorar les seves prestacions. És el cas de l’òsmosi forçada, en la qual l’elevada pressió osmòtica creada per l’addició d’un compost fàcilment separable és la força impulsora del flux a través de la membrana semipermeable. Produeix aigua dessalada i es duu a terme a pressions molt baixes i a temperatura ambient fet que provoca un molt baix consum energètic

Aquesta tecnologia presenta una elevada eficiència energètica i en alguns casos pot ser una gran competidora de l’òsmosi inversa. Es tracta d’una tècnica amb un futur prometedor.

Destil·lació per membranes

Aquesta tecnologia és relativament recent i es presenta com una solució per a aquelles mescles difícils de separar i que la combinació de la diferència de pressions de vapor i de diferent permeabilitat a través d’una membrana semipermeable fan que la separació pugui ser efectiva i viable.

Ambdues tecnologies complementen l’òsmosi inversa i allanen el camí en el disseny del tractament òptim en nombroses indústries.

Òsmosi Inversa (RO): Actualitat i Perspectives

El 1960, a la Universitat de Califòrnia es construeix la primera membrana d’òsmosi inversa, d’acetat de cel·lulosa, que és capaç d’impedir el pas de sals i permetre el pas d’un flux d’aigua raonable. A partir d’aquesta membrana bàsica, la tecnologia no ha deixat d’evolucionar per aconseguir una major eficiència energètica i un menor cost d’operació.

Actualment aquesta tecnologia s’empra per a la dessalinització d’aigües salobres i d’aigua de mar d’acord amb les següents dades generals d’operació:

• Aigües Salobres: La salinitat d’aquest tipus d’aigües és de 2000 mg/L – 10000 mg/L. En el seu tractament s’utilitzen pressions de 14 bar – 21 bar per aconseguir coeficients de rebuig superiors al 90 % i obtenir aigües amb concentracions salines menors de 500 mg/L, que són els valors recomanats per WHO com a condició de potabilitat. Les plantes de tractament utilitzen mòduls de membranes enrotllades en espiral. S’estima que els costos de capital d’aquest tipus de plantes són de l’ordre de 0.25 $US/L d’aigua tractada/dia, sent els costos d’operació del mateix ordre.
• Aigua de Mar: Depenent de la zona geogràfica, la salinitat d’aquest tipus d’aigües és de 30000 mg/L – 40000 mg/L. Per aconseguir condicions de potabilitat s’utilitzen membranes de poliamida de tipus fibra buida que permeten aconseguir coeficients de rebuig superiors al 99.3 % amb pressions de treball de 50 bar – 70 bar. Els costos d’operació d’aquest tipus de plantes de tractament s’estimen en 1 – 1.25$US/ L d’aigua tractada/dia, fet que fa que aquest sistema de tractament no sigui competitiu, enfront d’altres sistemes com els processos d’evaporació multietapa, si les necessitats d’aigua superen els 40000 m3 d’aigua tractada/dia.

Reptes de la dessalació

L’eficiència energètica no pot incrementar-se sense límit, ja que termodinàmicament hi ha un cost energètic mínim que no es pot reduir. Aquest depèn de les característiques fisicoquímiques de l’aigua a dessalar, del percentatge de recuperació del procés i de la salinitat. Així, de forma teòrica, el mínim consum energètic necessari per dessalar l’aigua de mar amb una salinitat de 35 g/L i amb una recuperació estàndard del 45% és 1,97 kWh/m³.

Amb la millor tecnologia actualment disponible, el consum mínim industrial està en 2,51-2,74 kWh/m³ en funció de si s’utilitzen turbines Pelton o cambres isobàriques –més eficients– per a la recuperació de la pressió. A tenor d’aquests valors, s’observa que els marges disponibles per reduir els consums energètics són ja molt reduïts.

Actualment, es poden construir plantes dessaladores amb un consum energètic en la fase d’òsmosi de 2 kWh/m³, amb un índex de recuperació del 45%, que equivaldria a un consum global de 2,5 kWh/m³. Un factor important per mantenir controlat el consum energètic en la dessalació se centra a impedir l’embrutiment de les membranes (fouling), el qual centra els objectius de nombroses línies d’investigació. El fouling afecta directament al rendiment energètic, a la vida útil de les membranes i a la ràtio de producció d’aigua.

Per continuar reduint el consum energètic, cal descartar avenços en els equips auxiliars a les membranes i circuits hidràulics, ja que pràcticament no disposen de marge de millora. Les línies d’investigació més prometedores se centren en la reducció de les pressions de treball sense que per això es vegi disminuït el flux de permeat. Els principals fabricants de membranes estan treballant en aquesta direcció i ja existeixen membranes amb un funcionament molt satisfactori treballant a una pressió total de 55 atm, en comptes de 70 atm com es venia fent des de fa poc temps.

El futur a mitjà termini és preocupant, ja que les reserves d’aigua dolça cada vegada seran menys fiables a més d’estar menys disponibles. Es calcula que el 2016 un 1% de la població mundial s’abasteix d’aigua dessalada i que el 2025 aquest percentatge assolirà el 14%. Davant aquest escenari, els avenços en la reducció del consum energètic en la dessalació permetran que segueixi proliferant la construcció de plantes dessaladores basades en l’òsmosi inversa per tot el món.

El consum energètic depèn fortament de la salinitat de l’aigua a tractar, per la qual cosa serà necessari prioritzar les fonts de les quals obtenir aigua dolça. El futur passa inexorablement per la reutilització de les aigües residuals, primer, i per la dessalació de les aigües salobres de l’interior, després. La dessalació d’aigua de mar haurà de ser l’últim recurs.

A Israel, país a l’avantguarda en l’ús eficient de l’aigua i de les tecnologies hídriques, es reutilitza el 80% de les aigües residuals.

Futur de la dessalació

Una alternativa econòmica i que actualment es comença a plantejar la seva implementació consisteix en el tractament mitjançant òsmosi inversa de les aigües residuals urbanes, ja depurades, per a la seva injecció en aqüífers subterrànies. La recàrrega d’aquestes mitjançant aquesta tècnica és ràpida i controlada, permetent que posteriorment la potabilització d’aquesta aigua no sigui complexa. A Espanya, la reutilització de les aigües residuals urbanes per al seu ús com a aigua potable, encara que tècnicament és possible, la legislació no ho permet. L’única excepció està precisament si l’aigua residual tractada mitjançant òsmosi inversa és injectada prèviament en un aqüífer subterrani abans de la seva potabilització.

L’informe de 2014 de les Nacions Unides sobre el desenvolupament de l’aigua al món constata que existeixen més de 16.000 plantes dessaladores repartides per tot el món en un total de més de 150 països, amb una capacitat de producció que podria arribar a doblar-se el 2020. Existeixen projectes d’investigació al voltant de l’òsmosi inversa que fan pensar que: (1) aquesta tècnica seguirà sent en els pròxims 10 anys la tecnologia de referència per a la producció d’aigua dolça amb algunes millores, algunes substancials, i (2) alguns projectes d’investigació són molt prometedors i acabaran proporcionant resultats útils i valuosos que permetran reduir encara més els costos energètics i ambientals, a més dels econòmics.

Entre els projectes d’investigació més prometedors per a noves tecnologies de dessalació es troben els següents:

• Tecnologia ReFlex de la companyia Desalitech (USA)

Aquesta tecnologia es basa en un sistema equiparable a un sistema d’òsmosi inversa convencional que opera en batch. El percentatge de recuperació el determina la freqüència de les etapes de purga que són ordenades per un programari específic, en comptes del disseny mecànic i el nombre d’etapes com seria en un sistema d’òsmosi inversa convencional. El sistema ReFlex comença realitzant batchs a baixa pressió i va incrementant aquesta gradualment a mesura que la concentració augmenta, fins a arribar al grau de recuperació indicat. Aquest funcionament fa que la pressió mitjana sigui inferior a la pressió constant del sistema convencional. A més, la pressió de la purga és mínima, a diferència del sistema convencional. Mitjançant aquest tipus d’operació, el consum d’energia respecte al sistema convencional es redueix en un 20-35%.

• Tecnologia de la companyia IDE Technologies (Israel)

IDE Technologies ha desenvolupat unes membranes de 16” en arranjament vertical, de manera que es redueixen recipients a pressió, col·lectors, equips de control i redueix la mida de la planta. Mitjançant aquesta tecnologia es construeixen plantes molt compactes i és especialment important quan es tracta de dissenyar plantes dessaladores d’elevada capacitat. Amb aquesta avançada tecnologia, aquesta empresa ha dissenyat i construït la planta dessaladora més gran i avançada del món fins a la data, a Sorek (Israel), la qual té una capacitat de 624.000 m³/dia.

• Membranes d’òxid de grafè, Universitat de Berkeley (USA)

Un grup d’investigadors de la Universitat de Berkeley (USA) ha dissenyat i construït una membrana d’òxid de grafè perforada amb un gruix d’un àtom, que fa possible la dessalació amb una mínima part del cost originat per l’òsmosi inversa convencional. Els porus es poden manipular per variar la permeabilitat de la membrana. De confirmar-se la seva aplicació a escala industrial, es revolucionaran els sistemes actuals d’òsmosi inversa i es reduiran significativament els costos econòmics d’operació.

Les millores innovadores que s’estan introduint en l’òsmosi inversa, fruit de la investigació, fan que aquesta tecnologia sigui el referent per a l’eliminació de sals a curt i mitjà termini, tant per a la producció d’aigua per al consum com a nivell industrial. Cal destacar la idoneïtat d’aquesta tecnologia per a aquelles aplicacions industrials basades en el concepte de vessament zero.

Per tot l’exposat, en un futur previsible l’òsmosi inversa –amb les tecnologies associades–seguirà sent la primera opció per a la separació de sals, tant en la dessalació d’aigua per al consum humà com per a les variades aplicacions industrials. Actualment, el cost de l’aigua dessalada per al consum humà és el doble de l’aigua dolça superficial. Però aquesta cada vegada serà més escassa i menys fiable. Es preveu que el 2025 els costos de dessalació igualin els costos d’extracció d’aigua dolça.