Manteniéndolo limpio: los ingenieros trabajan para que las membranas de desalinización se mantengan a escala

por Anne Manning

El laboratorio del profesor asistente Tiezheng Tong está trabajando para resolver los problemas asociados con la incrustación de membranas durante los procesos de desalinización. De izquierda a derecha: estudiante de posgrado Yiming Yin; pinza; el investigador de pregrado Ronny Minjarez; y el estudiante graduado Yiqun Yao, con el sistema de ósmosis inversa del laboratorio.

El agua hirviendo puede dejar depósitos minerales oscuros en la superficie interior de la tetera de aluminio que alguna vez fue brillante: nada que un poco de vinagre y bicarbonato de sodio no puedan eliminar.

Pero en otros contextos, estas antiestéticas manchas minerales no son solo una molestia, son un gran obstáculo para nuestra capacidad de hacer que miles de millones de galones de agua estén disponibles para miles de millones de personas.

La desalinización del agua, una tecnología que extrae agua limpia de fuentes sucias y saladas como el agua de mar, el agua salobre del interior o las aguas residuales, está ganando popularidad en todo el mundo, con más de 18 000 plantas en funcionamiento en todo el mundo. Emplea un principio físico llamado ósmosis inversa, en el que el agua sucia se empuja a presiones muy altas a través de una membrana con poros demasiado pequeños para ver, muchas veces más pequeños que el ancho de un cabello. El agua limpia se separa de un subproducto salado y el proceso comienza de nuevo.

Las mismas incrustaciones minerales que se forman en su hervidor también se forman en grandes cantidades en estas membranas especializadas, obstruyendo los poros de las membranas y disminuyendo en gran medida la eficiencia de todo el proceso. Las membranas deben cambiarse o limpiarse con frecuencia, lo que aumenta los costos y dificulta la capacidad de las tecnologías de desalinización para desempeñar un papel de liderazgo en la lucha contra los desafíos de la escasez de agua en todo el mundo.

La incrustación de minerales en las superficies de las membranas en aplicaciones de desalinización es un problema altamente técnico que Tiezheng Tong, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad Estatal de Colorado, ha pasado los últimos años tratando de resolver.

Él y sus estudiantes, trabajando duro en un laboratorio dentro del Scott Bioengineering Building, están realizando experimentos y descubriendo ideas fundamentales sobre por qué ocurre tal incrustación de minerales durante la desalinización y qué mecanismos impulsan la formación de incrustaciones en diferentes tipos de minerales. Y a medida que los ingenieros se enfocan en las soluciones, también están ocupados desarrollando nuevas formas de abordar el problema, ya sea inventando diferentes membranas o probando nuevas soluciones aditivas que harían que las membranas sean más resistentes a la incrustación sin sacrificar la calidad del agua.

"Queremos que nuestra infraestructura de agua sea resistente al cambio climático", dijo Tong, quien se unió a la facultad de CSU en 2017 después de un puesto posdoctoral en la Universidad de Yale con Menachem Elimelech, un erudito destacado en el campo de la ingeniería ambiental. "Si nos quedamos sin agua superficial, necesitamos un respaldo para suministrar suficiente agua a la sociedad... si queremos lograr esto, enfrentamos muchos desafíos, incluido este problema de la incrustación de minerales. Es nuestro nicho, donde estamos trabajar en estos procesos de tratamiento de salmuera de salmuera extremadamente alta es probablemente una de las partes más desafiantes de la extracción de agua de fuentes no convencionales".

Tong está brindando la experiencia de su laboratorio en desalinización y ciencia de membranas a la Alianza Nacional para la Innovación del Agua (NAWI), un esfuerzo liderado por el Departamento de Energía de $ 110 millones que reúne a cientos de científicos para abordar varios problemas asociados con las tecnologías de desalinización actuales. Su objetivo es hacer que las tecnologías de desalinización sean comparables o incluso más baratas que la extracción de agua dulce de fuentes convencionales afectadas por la sequía, como lagos, ríos y acuíferos.

A través de la asociación NAWI, en la que los investigadores de la CSU han desempeñado un papel de liderazgo, el laboratorio de Tong fue financiado recientemente junto con investigadores de la Universidad de Vanderbilt para apoyar el desarrollo de un método basado en electrodiálisis para tratar salmueras de desalinización hipersalinas.

Los desafíos de hacer de la desalinización una opción viable para los municipios y países son de múltiples niveles: económicos, en términos de construcción y mantenimiento de plantas desalinizadoras de ósmosis inversa a gran escala, y ambientales, en el sentido de que las salmueras de alta salinidad sobrantes de los procesos de tratamiento de agua introducen importantes y la contaminación perjudicial para los ecosistemas acuáticos.

Tong cree que resolver el problema muy específico de la incrustación de minerales podría tener un efecto dominó positivo que reduce el costo general de la desalinización, lo que permite que más plantas entren en funcionamiento, aportando nueva energía para resolver problemas relacionados, como los efectos ambientales de los subproductos peligrosos de la salmuera.

El problema de la incrustación de minerales es de ingeniería, pero también involucra química pura, con la necesidad de comprender exactamente qué moléculas inorgánicas se forman en las superficies y por qué. De esta manera, el tema apela al laboratorio multifacético de Tong.

"Con el escalado de membrana, hay muchos problemas fundamentales que entender", dijo Tong. "Hay reacciones químicas, cinética y termodinámica. En un entorno universitario, tratamos de ampliar los límites de la ciencia, lo cual es parte de la emoción de trabajar en este contexto. Tenemos muchas cosas que resolver antes de que podamos buscar respuestas. a los problemas reales que enfrentan las tecnologías de desalinización".

Tong dirige un laboratorio que se centra en tres estrategias para mejorar la desalinización de agua basada en membranas. Primero, los ingenieros están tratando de modificar las superficies de las membranas industriales para desencadenar una química diferente y hacerlas más resistentes a las incrustaciones minerales.

En segundo lugar, están considerando el uso de agentes químicos especiales llamados antiincrustantes que podrían agregarse al agua sin tratar en pequeñas cantidades y dificultarían la formación de escamas.

El tercero es la innovación de procesos, o la idea de repensar o mejorar sistemas industriales completos responsables de la desalinización por membranas de última generación.

Últimamente, el laboratorio de Tong ha estado prestando mayor atención al empuje 2, o la idea de perfeccionar los antiincrustantes para proteger las membranas que producen agua limpia. Una de sus ideas más recientes, publicada en Environmental Science and Technology, de primer nivel, describió los diferentes comportamientos de dos incrustantes principales, yeso y sílice, a niveles moleculares. El yeso se forma a través de un proceso de cristalización, mientras que la sílice se forma por polimerización. Estos distintos mecanismos requerirán dos tipos de antiincrustantes con diferentes grupos funcionales químicos, ya sea con carga negativa o positiva.

Doctorado de cuarto año El estudiante Yiming Yin, que dirigió los estudios antiincrustantes, dijo que dilucidar las diferencias entre cómo se forman estos minerales en las superficies de las membranas apunta a la complejidad de lograr una solución para el tratamiento de agua salada o salobre.

"Por el momento, hemos logrado una comprensión fundamental de cómo se comportan el yeso y la sílice", dijo Yin. "Ahora queremos seguir adelante y decir, ¿qué tipo de estrategias podemos usar para mitigarlos?".

Los estudiantes de Tong también han aprovechado sus nuevos conocimientos sobre el comportamiento químico del yeso en particular. Usando yeso como incrustante representativo, han estado experimentando con la combinación de técnicas de ósmosis inversa y destilación por membrana, otro tipo de tecnología de desalinización que aplica calor para lograr la recuperación de agua pura incluso en presencia de altas concentraciones de yeso.

Si bien la ósmosis inversa es una práctica estándar de la industria y es la tecnología de desalinización mejor establecida, tiene límites estrictos en términos de la salinidad del agua que puede tratar. En otras palabras, el agua que está un poco sucia y salina no es un problema, pero una vez que esos concentrados salobres alcanzan los 70 000 miligramos por litro de sal, se vuelve demasiado difícil empujar el agua a través de las membranas y el sistema se descompone. . Ahí es cuando la destilación por membrana puede entrar para terminar el trabajo, y es por eso que el equipo de Tong cree que un tren de tratamiento que combine ambas tecnologías podría ser la clave para poner en funcionamiento más plantas y reducir los costos. Mediante la aplicación de anti-incrustantes, el equipo de Tong ha logrado recientemente una recuperación de agua excepcional de aguas salinas que contienen yeso, con sus hallazgos publicados en el Journal of Membrane Science.

Ronny Minjarez, estudiante de tercer año que trabaja en el laboratorio y coautor de las dos publicaciones sobre el tema de la descalcificación, dijo que estaba emocionado por la oportunidad de trabajar en tecnologías que tienen implicaciones tan importantes para el futuro del planeta.

"La desalinización va a tener mucha relevancia para el futuro, con las fuentes de agua cada vez más tensas", dijo Minjarez. "Así que estas tecnologías se volverán aún más importantes".

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