Desalación de agua mediante sistemas de evaporación al vacío

Clasificación

Las tecnologías empleadas a fecha de hoy, en los procesos de desalación de agua pueden clasificarse en función de varios criterios, principalmente:

1. Cambio de fase del agua a tratar.
2. Tipo de energía.
3. Proceso empleado.

En base a estos criterios de clasificación las principales tecnologías asociadas se dividen en:

Tecnologías de evaporación vs tecnologías de filtración

Actualmente existen pequeñas plantas de evaporación para desalar agua de mar o agua de pozos salobres, que consumen pequeñas cantidades de energía eléctrica, que puede ser obtenida mediante molinos de viento, placas fotovoltaicas u otras formas de obtener energía eléctrica renovable.

En los procesos de evaporación para la obtención de agua potable a partir de agua salada, el consumo energético no depende la salinidad del agua a tratar, por lo que son más ventajosos desde este punto de vista, cuanto más salina sea el agua de entrada, con respecto a los procesos de ósmosis inversa.

Comparando ambas tecnologías, puede decirse que las de evaporación son muy efectivas para la producción de agua potable a partir de agua salada, independientemente de la salinidad del agua de entrada, en cuanto a su bajo consumo energético, solo comparable con la ósmosis forzada (tecnología de filtración), cuyos consumos energéticos son también muy bajos.

En este artículo se pretende repasar de manera general las distintas tecnologías relativas a ambos procesos, así como tratar de recoger la evolución y perspectivas de las mismas, empezando por los procesos de evaporación precursores de las tecnologías de desalinización.

Procesos de desalacion mediante evaporación

Los orígenes de las tecnologías de desalación datan de la época de Aristóteles (384-322 a.C.) cuando éste fabricó el primer evaporador conocido y en sus obras hablaba de la desalación del agua del mar.

Antes de la aparición e industrialización de las membranas de osmosis inversa, allá por la mitad de la década de los 60, el método para desalar agua de mar y potabilizarla era exclusivamente mediante equipos de evaporación que consumían una importante cantidad de energía.

Compresión Térmica de Vapor (TCV)

La compresión térmica de vapor obtiene el agua destilada con el mismo proceso que una destilación por múltiple efecto, pero utiliza una fuente de energía térmica diferente: son los llamados compresores térmicos (o termocompresores), que consumen vapor de media presión proveniente de la planta de producción eléctrica (si tenemos una planta dual, sino sería de un vapor de proceso obtenido expresamente para ello) y que succiona parte del vapor generado en la última etapa a muy baja presión, comprimiéndose y dando lugar a un vapor de presión intermedia a las anteriores adecuado para aportarse a la 1ª etapa, que es la única que consume energía en el proceso.

El rendimiento de este tipo de plantas es similar a las de las plantas MED (destilación por múltiple efecto), sin embargo, su capacidad desaladora puede ser mucho mayor al permitirse una mayor adaptabilidad de toma de vapor de las plantas productoras del mismo. Muchas veces se las considera el mismo proceso, pero aquí se tratarán individualmente ya que el consumo de energía de la planta se realiza por un equipo diferente.

Destilación por Múltiple efecto (MED)

En los procesos MED, el agua a tratar pasa a través de una serie de evaporadores puestos en serie. El vapor de una de las celdas se usa para evaporar el agua de la siguiente mientras que el aporte de energía primaria se hace sobre la primera de las etapas.

Este tipo de plantas son de tamaño medio y están especialmente indicadas en los casos de poder aprovechar calores residuales procedentes de instalaciones de cogeneración, turbinas…

Destilación súbita (MSF)

El agua a desalar se calienta a baja presión lo que permite una evaporación súbita e irreversible, repitiéndose este proceso en sucesivas etapas en las que la presión disminuye según distintas condiciones.

Está indicado para aguas cuya salinidad es elevada. También lo está en aguas de temperaturas más altas y mayor contaminación. El mayor inconveniente que presentan las plantas MSF es el alto consumo energético.

Actualmente existen instalaciones donde se combina la producción de energía eléctrica de los campos solares con la producción de agua potable a partir de plantas de evaporación tipo flash.

Compresión mecánica de vapor (CMV)

Los evaporadores al vacío por compresión mecánica de vapor (CMV) evaporan el líquido, en este caso el agua salada, en un lado de la superficie de intercambio, y se comprime lo suficiente para que condense en el otro lado y pueda así mantenerse el ciclo de destilación de agua, salvando las pérdidas del proceso y la elevación de la temperatura de ebullición del agua salada respecto a la pura.

Estos pequeños equipos son mucho más fiables y sencillos de operar que los equipos de osmosis inversa y casi no tienen mantenimiento, lo que los hace ideales para abastecer de agua dulce a pequeños núcleos de población, zonas remotas, zonas insulares, etc.

El consumo específico de estas instalaciones es más bajo que el de los otros procesos de destilación: normalmente el consumo eléctrico equivalente está sobre los 10 kWh/m3. El limitante mayor de este tipo de tecnología está en el tamaño máximo de los compresores volumétricos empleados. Su capacidad máxima no permite producciones altas de agua desalada.

Otras alternativas de evaporación: Evaporación de agua al vacío

Otra forma de obtener agua potable proveniente del mar o fuentes salobres es mediante evaporadores de agua al vacío, que aprovechan fuentes de calor residual procedente de circuitos de refrigeración de motores de cogeneración. Esto permite incrementar el porcentaje de recuperación de energía y alcanzar los objetivos mínimos para poder cobrar las primas de energía vendida a la red.

Procesos de desalacion mediante filtración

No fue hasta después de la Segunda Guerra Mundial que empezaron a construirse las primeras plantas desaladoras.

Ósmosis Forzada

Profundizando en el campo de las aplicaciones industriales, en las que la ósmosis inversa goza de una hegemonía clara por su eficacia, alrededor de ésta existe una serie de técnicas complementarias que en situaciones concretas pueden incluso mejorar sus prestaciones. Es el caso de la ósmosis forzada, en la que la elevada presión osmótica creada por la adición de un compuesto fácilmente separable es la fuerza impulsora del flujo a través de la membrana semipermeable. Produce agua desalada y se lleva a cabo a presiones muy bajas y a temperatura ambiente hecho que provoca un muy bajo consumo energético

Esta tecnología presenta una elevada eficiencia energética y en algunos casos puede ser una gran competidora de la ósmosis inversa. Se trata de una técnica con un futuro prometedor.

Destilación por membranas

Esta tecnología es relativamente reciente y se presenta como una solución para aquellas mezclas difíciles de separar y que la combinación de la diferencia de presiones de vapor y de diferente permeabilidad a través de una membrana semi-permeable hacen que la separación pueda ser efectiva y viable.

Ambas tecnologías complementan la ósmosis inversa y allanan el camino en el diseño del tratamiento óptimo en numerosas industrias.

Ósmosis Inversa (RO): Actualidad y Perspectivas

En 1960, en la Universidad de California se construye la primera membrana de ósmosis inversa, de acetato de celulosa, que es capaz de impedir el paso de sales y permitir el paso de un flujo de agua razonable. A partir de esta membrana básica, la tecnología no ha dejado de evolucionar para conseguir una mayor eficiencia energética y un menor coste de operación.

Actualmente esta tecnología se emplea para la desalinización de aguas salobre y de agua de mar de acuerdo a los siguientes datos generales de operación:

• Aguas Salobres: La salinidad de este tipo de aguas es de 2000 mg/L – 10000 mg/L. En su tratamiento se utilizan presiones de 14 bar – 21 bar para conseguir coeficientes de rechazo superiores al 90 % y obtener aguas con concentraciones salinas menores de 500 mg/L, que son los valores recomendados por WHO como condición de potabilidad. Las plantas de tratamiento utilizan módulos de membranas enrolladas en espiral. Se estima que los costes de capital de este tipo de plantas son del orden de 0.25 $US/L de agua tratada/día, siendo los costes de operación del mismo orden.
• Agua de Mar: Dependiendo de la zona geográfica, la salinidad de este tipo de aguas es de 30000 mg/L – 40000 mg/L. Para conseguir condiciones de potabilidad se utilizan membranas de poliamida de tipo fibra hueca que permiten conseguir coeficientes de rechazo superiores al 99.3 % con presiones de trabajo de 50 bar – 70 bar. Los costes de operación de este tipo de plantas de tratamiento se estiman en 1 – 1.25$US/ L de agua tratada/día, lo que hace que este sistema de tratamiento no sea competitivo, frente a otros sistemas como los procesos de evaporación multietapa, si las necesidades de agua superan los 40000 m3 de agua tratada/día.

Retos de la desalación

La eficiencia energética no puede incrementarse sin límite, puesto que termodinámicamente hay un coste energético mínimo que no se puede reducir. Éste depende de las características fisicoquímicas del agua a desalar, del porcentaje de recuperación del proceso y de la salinidad. Así, de forma teórica, el mínimo consumo energético necesario para desalar el agua de mar con una salinidad de 35 g/L y con una recuperación estándar del 45% es 1,97 kWh/m³.

Con la mejor tecnología actualmente disponible, el consumo mínimo industrial está en 2,51-2,74 kWh/m³ en función de si se utilizan turbinas Pelton o cámaras isobáricas –más eficientes– para la recuperación de la presión. A tenor de estos valores, se observa que los márgenes disponibles para reducir los consumos energéticos son ya muy reducidos.

Actualmente, se pueden construir plantas desaladoras con un consumo energético en la fase de ósmosis de 2 kWh/m³, con un índice de recuperación del 45%, que equivaldría a un consumo global de 2,5 kWh/m³. Un factor importante para mantener controlado el consumo energético en la desalación se centra en impedir el ensuciamiento de las membranas (fouling), el cual centra los objetivos de numerosas líneas de investigación. El fouling afecta directamente al rendimiento energético, a la vida útil de las membranas y a la ratio de producción de agua.

Para continuar reduciendo el consumo energético, cabe descartar avances en los equipos auxiliares a las membranas y circuitos hidráulicos, ya que prácticamente no disponen de margen de mejora. Las líneas de investigación más prometedoras se centran en la reducción de las presiones de trabajo sin que por ello se vea disminuido el flujo de permeado. Los principales fabricantes de membranas están trabajando en esta dirección y ya existen membranas con un funcionamiento muy satisfactorio trabajando a una presión total de 55 atm, en vez de 70 atm como se venía haciendo desde hace poco tiempo.

El futuro a medio plazo es preocupante, puesto que las reservas de agua dulce cada vez serán menos fiables además de estar menos disponibles. Se calcula que en 2016 un 1% de la población mundial se abastece de agua desalada y que en 2025 este porcentaje alcanzará el 14%. Ante este escenario, los avances en la reducción del consumo energético en la desalación permitirán que siga proliferando la construcción de plantas desaladoras basadas en la ósmosis inversa por todo el mundo.

El consumo energético depende fuertemente de la salinidad del agua a tratar, por lo que se hará necesario priorizar las fuentes de las cuales obtener agua dulce. El futuro pasa inexorablemente por la reutilización de las aguas residuales, primero, y por la desalación de las aguas salobres del interior, después. La desalación de agua de mar deberá ser el último recurso.

En Israel, país a la vanguardia en el uso eficiente del agua y de las tecnologías hídricas, se reutiliza el 80% de las aguas residuales.

Futuro de la desalación

Una alternativa económica y que actualmente se empieza a barajar su implementación consiste en el tratamiento mediante ósmosis inversa de las aguas residuales urbanas, ya depuradas, para su inyección en acuíferos subterráneos. La recarga de éstos mediante esta técnica es rápida y controlada, permitiendo que posteriormente la potabilización de esta agua no sea compleja. En España, la reutilización de las aguas residuales urbanas para su uso como agua potable, aunque técnicamente es posible, la legislación no lo permite. La única excepción está precisamente si el agua residual tratada mediante ósmosis inversa es inyectada previamente en un acuífero subterráneo antes de su potabilización.

El informe de 2014 de las Naciones Unidas sobre el desarrollo del agua en el mundo constata que existen más de 16.000 plantas desaladoras repartidas por todo el mundo en un total de más de 150 países, con una capacidad de producción que podría llegar a doblarse en 2020. Existen proyectos de investigación alrededor de la ósmosis inversa que hacen pensar que: (1) esta técnica seguirá siendo en los próximos 10 años la tecnología de referencia para la producción de agua dulce con algunas mejoras, algunas sustanciales, y (2) algunos proyectos de investigación son muy prometedores y acabarán proporcionando resultados útiles y valiosos que permitirán reducir aún más los costes energéticos y ambientales, además de los económicos.

Entre los proyectos de investigación más prometedores para nuevas tecnologías de desalación se encuentran los siguientes:

• Tecnología ReFlex de la compañía Desalitech (USA)

Esta tecnología se basa en un sistema equiparable a un sistema de ósmosis inversa convencional que opera en batch. El porcentaje de recuperación lo determina la frecuencia de las etapas de purga que son ordenadas por un software específico, en vez del diseño mecánico y el número de etapas como sería en un sistema de ósmosis inversa convencional. El sistema ReFlex empieza realizando batchs a baja presión y va incrementando ésta gradualmente a medida que la concentración aumenta, hasta llegar al grado de recuperación indicado. Este funcionamiento hace que la presión media sea inferior a la presión constante del sistema convencional. Además, la presión de la purga es mínima, a diferencia del sistema convencional. Mediante este tipo de operación, el consumo de energía respecto al sistema convencional se reduce en un 20-35%.

• Tecnología de la compañía IDE Technologies (Israel)

IDE Technologies ha desarrollado unas membranas de 16” en arreglo vertical, de forma que se reducen recipientes a presión, colectores, equipos de control y reduce el tamaño de la planta. Mediante esta tecnología se construyen plantas muy compactas y es especialmente importante cuando se trata de diseñar plantas desaladoras de elevada capacidad. Con esta avanzada tecnología, esta empresa ha diseñado y construido la planta desaladora más grande y avanzada del mundo hasta la fecha, en Sorek (Israel), la cual tiene una capacidad de 624.000 m³/día.

• Membranas de óxido de grafeno, Universidad de Berkeley (USA)

Un grupo de investigadores de la Universidad de Berkeley (USA) ha diseñado y construido una membrana de óxido de grafeno perforada con un grosor de un átomo, que hace posible la desalación con una mínima parte del coste originado por la ósmosis inversa convencional. Los poros se pueden manipular para variar la permeabilidad de la membrana. De confirmarse su aplicación a escala industrial, se revolucionará los sistemas actuales de ósmosis inversa y se reducirán significativamente los costes económicos de operación.

Las mejoras innovadoras que se están introduciendo en la ósmosis inversa, fruto de la investigación, hacen que esta tecnología sea el referente para la eliminación de sales a corto y medio plazo, tanto para la producción de agua para el consumo como a nivel industrial. Cabe destacar la idoneidad de esta tecnología para aquellas aplicaciones industriales basadas en el concepto de vertido cero.

Por todo lo expuesto, en un futuro previsible la ósmosis inversa –con las tecnologías asociadas–seguirá siendo la primera opción para la separación de sales, tanto en la desalación de agua para el consumo humano como para las variadas aplicaciones industriales. Actualmente, el coste del agua desalada para el consumo humano es el doble del agua dulce superficial. Pero ésta cada vez será más escasa y menos fiable. Se prevé que en 2025 los costes de desalación igualen a los costes de extracción de agua dulce.