5.4 Fuentes alternativas de agua: Desalinización

5.4.3 Tecnologías de proceso

No hay una tecnología de desalinización en particular que se pueda considerar como panacea para la producción de agua potable. La mayoría de las tecnologías utilizan procesos térmicos o de membrana, pero ya existen otras tecnologías, en tanto que se están desarrollando muchas más. Es preciso seleccionar las tecnologías de desalinización con base en las condiciones específicas del sitio, incluyendo el contenido de sal, la accesibilidad de servicios de ingeniería y de construcción, y la calidad del agua requerida por el usuario final. Con frecuencia, los requerimientos de mantenimiento de una tecnología específica determinarán el tipo de sistema que se escoja para las plantas desaladoras.

Tendencias tecnológicas

Las actuales tendencias en cuanto a aplicaciones de desalinización dependen de las características específicas del agua bruta, la disponibilidad de energía, la fecha en que la planta desaladora fue instalada y el uso final del agua producto. Antes del desarrollo de los procesos de membrana, la desalinización se efectuaba principalmente por medio de diferentes variaciones de tecnologías de destilación térmica (entre las cuales se incluyen la evaporación instantánea multietápica y la destilación de efectos múltiples). No obstante, para el año 2000, los procesos de membrana ya se utilizaban en el 79% de las 13,600 plantas desaladoras que operaban en todo el mundo (Glueckstern 2004). La preferencia por los sistemas de membrana –y específicamente por la osmosis inversa (OI)– en comparación con otras técnicas se debe, en parte, al desarrollo en décadas recientes de membranas con tasas más altas de recuperación y requerimientos menores de presión; por ende, su operación es más eficiente. Más adelante, en la Figura 5 se muestra la aplicación de diferentes tecnologías de desalinización a nivel mundial respecto al volumen total de agua producto que se produce.

Figura 5. Capacidad tecnológica para la desalinización a nivel mundial (Glueckstern 2004)
Other = Otras,Multiple effect distillation = Destilación de efectos múltiples, Vapor compression = Compresión de vapor Electrodialysis = Electrodiálisis, Multiple stage flash evaporation = Evaporación instantánea multietápica, Nanofiltration = Nanofiltración, Reverse osmosis = Osmosis inversa

El agua bruta para alimentar la planta desaladora varía de una región a otra según el acceso al mar, las reservas de agua subterránea salobre, la habilidad del proveedor de agua para producir (y la aceptación por parte del público de utilizar) aguas residuales recicladas y la tecnología disponible en la ubicación especifica que se escogió. Por ejemplo, a nivel mundial, el 56% del agua bruta para los procesos de desalinización es agua de mar, mientras que en el Estado de California en E.U. dicha agua representa tan sólo el 17% del agua bruta para la desalinización, principalmente porque están fácilmente disponibles grandes cantidades de agua salobre (Cooley et al. 2006). Nótese que en este estudio, no se ha considerado la utilización de aguas residuales tratadas como agua bruta para alimentar la desalinización, puesto que el agua de ese tipo todavía no ha sido aceptada por el público como una fuente de agua potable.

Figura 6. Capacidad tecnológica para la desalinización en California (Cooley et al. 2006)
Other = Otras, Multiple effect distillation = Destilación de efectos múltiples, Vapor compression = Compresión de vapor, Electrodialysis = Electrodiálisis, Nanofiltration = Nanofiltración, Reverse osmosis = Osmosis inversa

En California, el predominio de la OI es aun más significativo, tal como se puede ver en la Figura 6. La mayor parte de la desalinización ocurre en el sur del estado, que exhibe patrones climáticos y de consumo de agua similares a los de Loreto. Asimismo, en Cabo San Lucas aproximadamente una docena de plantas desaladoras ya están funcionando, y en todas se emplea la tecnología de OI. En consecuencia, se espera que la OI sea la tecnología más apropiada para las plantas desaladoras que se desarrollen en la región de Loreto. A continuación presentaremos descripciones breves de tecnologías alternativas disponibles en la actualidad, así como de otras que se están desarrollando; pero es probable que, debido a las demandas de energía, los requerimientos técnicos y/o las incertidumbres asociadas con historiales de rendimiento no comprobados, estas tecnologías no sean apropiadas para su aplicación en la región de Loreto.

Tecnologías térmicas

Antes del desarrollo de las tecnologías de OI y de nanofiltración (NF), la mayoría de las actividades de desalinización estaban basadas en tecnologías térmicas. El principio 27 fundamental de los procesos térmicos consiste en calentar el agua más allá o cerca de su punto de ebullición, recolectar el vapor y enfriarlo para producir un recurso de agua limpia. Las tecnologías térmicas tienden a consumir energía en forma más intensiva y ser menos eficientes que otros procesos, pero son adecuadas para aplicaciones que generalmente no incluyen al suministro de agua municipal. Los dos tipos más importantes de tecnologías térmicas son la Evaporación Instantánea Multietápica (EIM) y la Destilación de Efectos Múltiples (DEM). El evaporador de EIM produce agua destilada a partir del agua de alimentación al calentarla hasta que esté a punto de evaporarse. Se lleva el vapor hasta un sitio en que se condensa y se recolecta como agua limpia. DEM es una tecnología más antigua que emplea una serie de cámaras de intercambio de calor donde el vapor se condensa para destilar el agua. Puesto que consumen una gran cantidad de energía por litro de agua producto, esas tecnologías rara vez son utilizadas para producir una oferta de agua potable a nivel municipal. No obstante, todavía se usan procesos térmicos en industrias que requieren de un suministro de agua muy pura, pues pueden producir agua con un contenido de sal mucho menor que los sistemas de membrana, normalmente de menos de 25 ppm en promedio (U.S. Bureau of Reclamation 2003). Las concentraciones de sólidos disueltos totales (SDT) de alrededor de 500 ppm normalmente son aceptables para el agua potable, de modo que las eficiencias adicionales de eliminación de sales ofrecidas por los procesos térmicos no justificarían los mayores costos de operación para ampliar el suministro de agua potable en Loreto.

Tecnologías mecánicas

Aparte de los procesos térmicos, se ha recurrido a procesos mecánicos para desalinizar el agua de mar. De éstos, el más común es la compresión de vapor (CV). CV es un proceso en que se utiliza la energía mecánica para comprimir el vapor, cuya temperatura aumenta y, al final, se destila el agua. Con frecuencia, la tecnología de CV se usa en combinación con las tecnologías térmicas para incrementar las eficiencias en el proceso térmico. A menudo se emplea la CV mecánica en áreas remotas para aplicaciones pequeñas, tales como lugares de vacaciones o procesos industriales pequeños. Es poco probable que la tecnología de CV sea una elección idónea para plantas desaladoras en la región de Loreto, ya que sus costos de operación generalmente son más altos que la OI y Loreto no se considera un sitio remoto.

Electrodiálisis (ED)

En la desalinización por electrodiálisis (ED), se pasa una corriente eléctrica directa a través del agua salobre para separar las sales y los minerales disueltos en iones positivos y negativos. Posteriormente, éstos son colados por una de dos membranas semipermeables que solamente permiten el paso de iones positivos o negativos, dejando al otro lado el agua desalada. En tanto que la ED es eficaz con el agua salobre, esta tecnología aún está siendo perfeccionada para su utilización en la desalinización de agua de mar. Por lo regular, la ED no es costo-efectiva en cuanto a la eliminación de concentraciones salinas mayores de 4,000 mg/l (el agua de mar del Océano Pacífico tiene, en promedio, 35,000 mg/l). De esta manera, a menos que se puedan encontrar fuentes apropiadas de agua salobre de baja salinidad, es poco probable que la ED sea una elección adecuada para una planta desaladora en Loreto.

Tecnologías potenciales

En un intento de reducir los costos de energía y de minimizar los problemas de eliminación de la salmuera, se están desarrollando varias tecnologías más para la desalinización de agua de mar y agua salobre. A continuación se enumeran tecnologías notables que son apropiadas para la desalinización de agua de mar, si bien todavía no están perfeccionadas para el uso a gran escala.

• Separación por congelación – El agua bruta es congelada para separar los cristales de hielo de los de sal;
• Intercambio de iones – Se pasa el agua bruta a través de columnas de resinas que quitan los iones no deseables, basado en la preferencia de la resina en cuestión por ciertos iones;
• Destilación con membranas – Aquí se combinan los conceptos de los procesos térmicos y de membrana para eliminar las sales;
• Evaporación por rocío rápido – Se rocía el agua bruta a alta velocidad a través de boquillas vaporizadoras para separar las sales del agua, y
• Congelación con hidratos – Una mezcla de vapor/gas de agua de mar se enfría y posteriormente los hidratos que se forman son separados de la salmuera.

Procesos de membrana – Osmosis Inversa y Nanofiltración

La Osmosis Inversa (OI) y la Nanofiltración (NF) son procesos de membrana similares, impulsados por presión, que se utilizan en la desalinización de agua. Las membranas de NF generalmente funcionan a presiones menores que las de OI y por lo regular son usadas para aplicaciones de agua salobre. Las membranas de OI son empleadas normalmente en la desalinización de agua de mar debido a su mayor capacidad para rechazar la sal en comparación con las de NF. Los principios fundamentales de ambas tecnologías consisten en separar la sal del agua cuando el agua de alimentación entra en contacto con una membrana a presiones altas. Esencialmente, el proceso de osmosis es a la inversa, o al revés, porque el agua pasa por una membrana semipermeable y las sales se quedan en el lado en que entró el agua bruta (Figura 7). El agua que pasa por la membrana es ultrapura, mientras que la concentración de sales en el agua restante aumenta. El agua altamente salina se convierte en la corriente de residuos, o “salmuera” y posteriormente es descargada, en tanto que el agua producto se recolecta para ser usada.

Figura 7. Proceso de la osmosis inversa (Cortesía de RBF Consulting)
Saline water = Agua salada, Membrane = Membrana, Fresh water = Agua limpia, Concentrate = Concentrado, Reverse osmosis = Osmosis inversa

La tecnología de Osmosis Inversa está experimentando un crecimiento acelerado gracias a los extensos esfuerzos realizados en el ámbito de investigación y desarrollo en años recientes. La intensa competencia que se ha dado entre varios fabricantes de membranas ha suscitado gran parte de esas investigaciones. A lo largo de los últimos 15 años, la experiencia operativa con tecnologías de osmosis inversa ha mejorado; así, un menor número de plantas han sufrido problemas operativos de largo plazo. Suponiendo que se instala una unidad que haya sido diseñada y construida adecuadamente, los principales elementos operativos que se relacionan con el empleo de tecnologías de OI serán el monitoreo diario del sistema y un programa sistemático de mantenimiento preventivo. Tanto la operación como el mantenimiento y monitoreo de plantas con OI requieren de personal capacitado en el campo de la ingeniería. Los requerimientos de personal son de aproximadamente una persona para una planta que produce 200 m³/día, y aumentan a tres personas cuando se trata de una planta cuya producción es de 4,000 m³/día.

La cantidad de agua desalada que puede recuperarse de agua salina varía entre 30% y 85% del volumen del agua de alimentación, dependiendo de la calidad inicial del agua, la cantidad del agua producto que se necesite, y la tecnología y membranas que se utilicen (Cooley et al. 2006). Actualmente, las plantas desaladoras suelen definirse como pequeñas si producen menos de 3,700 m3/día; de tamaño mediano si la producción varía entre 3,700 y 37,000 m3/día, y grandes si producen más de 37,000 m3/día. Sin embargo, el tamaño físico de una planta desaladora grande que utiliza osmosis inversa es pequeño en comparación con cualquiera que emplee tecnologías térmicas, que normalmente requiere de una caldera, instalaciones para la generación de energía y un terreno bastante grande. En el cuadro 2 se indican las superficies que se necesitan para diferentes tipos de plantas desaladoras.

Cuadro 2. Requerimientos de superficie para plantas de desalinización
a Durban, James 2006. b Water Desalination International 1998. c SPG Media 2006. d SGP Media 2006.

Tal como se notó anteriormente, las membranas de nanofiltración (NF) generalmente no son idóneas para la desalinización de agua de mar, pero sí pueden funcionar como una alternativa costo-efectiva para la OI si existen condiciones de agua salobre. Los principios esenciales de la NF son los mismos que en el caso de la OI. Empero, las membranas de NF tienen una menor capacidad de rechazo de sal que las de OI. Los costos de operación son menores, principalmente porque las membranas de NF requieren de presiones de operación más bajas. Entonces, si existen condiciones ideales en cuanto al agua bruta, la NF generalmente es preferible a la OI.

Si bien los avances significativos en las tecnologías han extendido la vida de las membranas y también han reducido los requerimientos de energía, el consumo global de ésta sigue siendo sumamente alto porque las membranas de OI requieren de presiones muy altas. Uno de los avances tecnológicos más importantes en años recientes fue el desarrollo, por parte del Departamento de Agua de Long Beach, California, E.U., de un proceso de nanofiltración en dos etapas, también llamado el Método de Long Beach. En términos de energía, dicho método ha resultado ser más eficiente en un 20% a 30% que la OI, la cual constituye la tecnología de punta utilizada actualmente (Long Beach Water Department 2006). La tecnología del Método de Long Beach no se está aplicando todavía en un servicio municipal de agua potable, pero es un indicio prometedor de que se darán mayores avances en las tecnologías de desalinización en el futuro.

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