Don't Be Salty: cómo hacer que la desalinización funcione en el mundo del mañana

Aunque el agua suele ser escasa para el consumo humano y la agricultura, las tres cuartas partes de este planeta están cubiertas por esa materia. El problema es sacar la sal, y esto normalmente lo hace el ciclo del agua de la Tierra, que produce lluvia y fenómenos similares que reponen la cantidad de agua dulce. Aproximadamente el 3% del agua de la Tierra es agua dulce, de la cual una fracción es agua potable.

En las últimas décadas, el uso de la desalinización ha aumentado año tras año, particularmente en países como Arabia Saudita, Israel y los Emiratos Árabes Unidos, pero los estados secos de los Estados Unidos, como California, buscan cada vez más tecnologías de desalinización. Los obstáculos obvios que enfrenta la desalinización, independientemente de la tecnología exacta utilizada, involucran la energía requerida para hacer funcionar estos sistemas y el costo final del agua potable producida en relación con importarla de otro lugar.

Otros problemas que surgen con la desalinización incluyen el impacto ambiental, especialmente por los desechos de salmuera y posiblemente la vida marina absorbida por las tuberías de entrada. A medida que aumenta la necesidad de desalinización, ¿cuáles son las opciones disponibles para reducir las necesidades de energía y el impacto ambiental?

Un tipo común de desalinización es la destilación, que es esencialmente lo que también ocurre en la naturaleza a través de la evaporación de las aguas superficiales. A medida que el agua se calienta, se evapora, dejando atrás las sales y otras materias sólidas disueltas. Cuando este proceso se realiza con calor intenso y por etapas, se denomina destilación flash multietapa (MSF), que es uno de los tres tipos de destilación más comunes, junto con la destilación multiefecto (MED), que utiliza etapas con calor vaporice esa pareja en la siguiente etapa, reutilizando efectivamente el calor. Sin embargo, con mucho, el tipo de destilación más común (~69 % de participación) es la ósmosis inversa (OI), que utiliza un diferencial de presión a través de una membrana que permite que pasen las moléculas de agua, pero no las sales y muchos otros sólidos disueltos.

Es importante tener en cuenta que el resultado de ninguno de estos procesos de desalinización a gran escala es una clara separación en agua y lo que quede. En cambio, hay una salida de agua dulce (~40% para RO), con un flujo de concentrado que es esencialmente agua salada, lo que permite cualquier contaminante que haya en la toma de agua salina o salobre. Este flujo de concentrado es lo que se devuelve al mar u otro cuerpo de agua del que se extrajo el agua de toma.

Además del contenido salino muy superior de este flujo de concentrado, aproximadamente el doble que el agua de mar, también tiene una temperatura muy superior a la del agua de toma de las plantas desaladoras térmicas. Si bien un aumento de la temperatura de la salmuera descargada tiene claros efectos negativos en la vida marina local, se ha informado que la columna de agua salada persiste hasta 5 km del sitio de descarga en algunos lugares. Esto haría que el área no fuera apta para una serie de especies que no toleran bien el agua salada.

Gran parte de esto se destaca en una revisión de agosto de 2021 realizada por Ihsanullah et al. que detalla el impacto ambiental conocido de las instalaciones de desalinización actuales, así como las estrategias para hacer que la desalinización sea más respetuosa con el medio ambiente. Esta revisión también cubre los aditivos que se agregan comúnmente al agua de entrada y que pueden terminar en el medio ambiente incluyen:

Además, la corriente de desechos puede incluir varios otros contaminantes, como cobre y níquel, como resultado de la corrosión de los intercambiadores de calor y otros componentes de la planta de desalinización. Por la naturaleza del proceso de desalinización, también aumentarán las concentraciones de metales pesados. Para disminuir el impacto ambiental de este flujo de desechos, los flujos de rechazo de las plantas de desalinización se tratan cada vez más antes de ser liberados nuevamente al medio ambiente.

Hasta la década de 1980, el uso de la desalinización térmica era un lugar común, que fue cuando la ósmosis inversa estuvo disponible comercialmente. Un gran beneficio con RO es su mucho menor requerimiento de energía por metro cúbico de agua dulce producida (Elsaid et al., 2020), con MSF (operando a 120°C) requiriendo la mayor cantidad de energía, especialmente térmicamente. MED utiliza significativamente menos energía debido a la reutilización del calor en sus etapas sucesivas. Como se puede ver en la tabla reproducida aquí de Ihsanullah et al. (2021), para RO, la falta de requisitos de energía térmica lo hace significativamente más eficiente por defecto, ya que solo requiere energía eléctrica para crear el gradiente de presión a través de la membrana.

Al requerir electricidad en lugar de electricidad y energía térmica, se puede usar esencialmente cualquier fuente constante de energía eléctrica, lo que hace que la ósmosis inversa sea muy versátil y adecuada tanto para instalaciones pequeñas como grandes. Teniendo en cuenta la rápida disminución de la cuota de mercado de las instalaciones de desalinización térmica, es probable que la ósmosis inversa y tecnologías similares basadas en membranas sigan dominando el mercado en el futuro previsible.

La ionización capacitiva (CDI) y la inversión de electrodiálisis/electrodiálisis (ED y EDR respectivamente) son algunas de una serie de tecnologías más nuevas que están teniendo algún uso, aunque principalmente para agua más salobre. Junto con la nanofiltración (NF) y tecnologías de filtración similares, estos se ven frenados por problemas de materiales, así como por un mayor uso de energía (especialmente con CDI y ED/EDR). Otras tecnologías enumeradas son la electrodesionización, la destilación por membrana y la ósmosis directa (FO), según WNA.

Una fuente de energía atractiva para alimentar plantas de desalinización, ya sean térmicas o de membrana, es un reactor nuclear. Estos pueden proporcionar energía eléctrica y calor, por ejemplo, JAEA de Japón demuestra una planta de desalinización de MSF alimentada por un reactor de alta temperatura llamado GTHTR300. Dado que MSF puede tratar más fácilmente, por ejemplo, con agua muy contaminada mejor que la ósmosis inversa sin un tratamiento previo del agua de entrada, el calor residual de los reactores nucleares (incluidos los reactores de agua ligera existentes en la actualidad) puede hacer que MSF y MED sean mucho más competitivos con la ósmosis inversa, mientras que prevenir la contaminación de las plantas desalinizadoras MSF y MED que funcionan principalmente con gas natural.

Esto se ha demostrado durante las últimas décadas, por ejemplo, en Kazajstán (reactor rápido BN-350) y Japón, donde diez plantas de desalinización han sido alimentadas por reactores de agua a presión (PWR), empleando principalmente MED y RO. En Corea del Sur, algunos de sus PWR también operan plantas de desalinización MED que en su mayoría generan agua para sus propios sistemas de enfriamiento. En Egipto y Pakistán, sus nuevas plantas de energía nuclear también se utilizan para operar instalaciones MED y RO.

Aunque generalmente se ha dado el caso de que el flujo de desechos de las plantas de desalinización ha sido descargado de vuelta al medio ambiente, existen buenas razones para usar la mayor cantidad posible de esta agua salada concentrada. Especialmente en el caso de que se utilice agua de mar como agua de entrada, el concentrado a la salida del proceso de desalinización contendrá cantidades significativas de magnesio, oro, uranio, bromo, potasio, cesio, rubidio y litio, al menos algunos de los cuales pueden ser económicamente recuperable.

Recientemente analizamos la recuperación de uranio del agua de mar, lo cual es un desafío debido a que solo hay unas pocas partes por millón de uranio disuelto, y lo mismo ocurre con los otros metales y minerales que pueden ser de interés. Aunque los océanos contienen más uranio del que se puede extraer razonablemente de la corteza terrestre, el hecho es que hay aún más agua en la que se diluye.

Dado que las plantas de desalinización reducen enormemente la cantidad de agua, lógicamente se deduce que los "residuos" resultantes tendrán concentraciones mucho más altas de uranio, litio, etc., que pueden hacer que sea atractivo filtrarlos de este flujo concentrado. El resultado de esto puede ser que podamos usar gran parte, si no la mayoría, de este concentrado, lo que reduciría la cantidad de agua salada, posiblemente contaminada, que termina en el medio ambiente.

Si vamos a utilizar fuentes de energía más baratas y respetuosas con el medio ambiente para nuestras plantas de desalinización, y utilizar tantos recursos como sea posible de los 'desechos' producidos por estas plantas, en realidad podemos terminar ahorrando dinero y dañando el medio ambiente de la minería en otros lugares. Tal vez sea esta perspectiva la más útil en cualquier discusión sobre desalinización.

Como se señaló anteriormente, es común que las plantas de energía nuclear participen en la desalinización. Cuando este proceso se pueda realizar utilizando la tecnología MED utilizando lo que equivale esencialmente a calor residual, y los desechos salobres se traten adecuadamente, entonces puede proporcionar agua potable a millones de personas. Una parte esencial de una parte de desalinización que es difícil de subestimar es que requiere acceso a un mar, océano u otra fuente importante de agua salobre o salina.

Cuando una ciudad se encuentra en medio de un desierto, entonces dicha agua potable tendrá que ser proporcionada siempre por tubería o similar. Pero esa es otra tetera de pescado.