Técnicas de desalinización

En términos generales, se puede decir que existen dos tipos principales de técnicas de desalinización utilizadas en todo el mundo: procesos térmicos y procesos de desalinización por membrana.

Procesos térmicos

En este caso, el agua de alimentación se hierve y el vapor se condensa como agua pura (destilado) y los principales proceso de este tipo son:

La destilación multiefecto (MED). Es un proceso de desalinización térmica que utiliza múltiples etapas de evaporación y condensación para convertir el agua de mar en agua dulce. En él, se aprovecha la eficiencia térmica al reutilizar el calor latente liberado durante la condensación de vapor para calentar el agua de mar en una etapa de evaporación subsiguiente.

Se trata de uno de los métodos más eficientes para la producción de agua dulce a partir del agua de mar y se utiliza tanto en plantas de desalinización a gran escala, donde la eficiencia energética es crucial, como en para plantas más pequeñas, lo que lo hace versátil y escalable.

El proceso de destilación multiefecto generalmente implica varias unidades de evaporación y condensación en serie, llamadas "efectos". Cada efecto consta de un evaporador y un condensador. El agua de mar se introduce en el primer efecto, donde se calienta para evaporar parte del agua y convertirla en vapor. El vapor generado fluye hacia el condensador del primer efecto, donde se enfría y se condensa en forma de agua dulce. Este proceso se repite en múltiples efectos, y en cada etapa. Cada efecto opera a una temperatura y presión más baja que el anterior, lo que permite un uso eficiente del calor.

La novedad de la destilación multiefecto radica en que el vapor condensado en el primer efecto no se desecha, sino que se utiliza como fuente de calor para el segundo efecto, lo que permite una evaporación adicional.

La destilación flash multietapa (MSF). Este proceso se basa en la expansión rápida de agua de mar caliente y presurizada en un conjunto de cámaras o etapas de destilación (denominadas "flash chambers"), es decir, la rápida disminución de la presión provoca la evaporación del agua, separando la sal y otros contaminantes. De forma que cada etapa tiene una temperatura y presión más bajas que la anterior. El vapor generado se condensa en un sistema de condensación y se recoge como agua dulce.

La MSF puede ser menos eficiente en términos de energía en comparación con la MED, ya que no recicla tanto el calor latente del vapor y la presurización y despresurización repetitivas pueden generar pérdidas de energía, y la recuperación de calor es limitada.

La MSF es comúnmente utilizada en plantas de desalinización a gran escala, especialmente en aplicaciones de alta capacidad que requieren una producción significativa de agua dulce.

En definitiva, la MSF y la MED son dos enfoques de desalinización térmica que utilizan múltiples etapas de evaporación y condensación, pero difieren en términos de eficiencia energética y aplicaciones específicas. La MED es conocida por su mayor eficiencia y versatilidad en comparación con la MSF, pero la elección entre ambas dependerá de los requisitos de la planta de desalinización y las condiciones locales.

Compresión térmica del vapor (TVC). En este caso el vapor de agua generado en un proceso de evaporación (como la MED) se comprime utilizando energía térmica en lugar de energía mecánica. El vapor se enfría y se condensa, liberando calor latente. Este calor latente se utiliza para precalentar el agua de mar antes de que entre en el evaporador, reduciendo así la cantidad de energía requerida para calentar el agua desde la temperatura ambiente.

La compresión térmica puede tener un efecto significativo en la eficiencia general del proceso de desalinización, ya que permite recuperar parte del calor latente del vapor y reutilizarlo en lugar de disiparlo.

Compresión mecánica del vapor (MVC). Se utiliza un compresor mecánico para aumentar la presión del vapor generado en un proceso de evaporación. Este aumento de presión eleva la temperatura de ebullición del agua, lo que facilita la destilación y reduce la cantidad de energía necesaria para evaporar el agua. El vapor comprimido se enfría y condensa, produciendo agua dulce.

La compresión mecánica del vapor es común en sistemas de ósmosis inversa, donde se necesita presurizar el agua de mar para forzarla a través de una membrana semipermeable. El compresor mecánico facilita este proceso y mejora la eficiencia del sistema.

Tanto la TVC como la MVC se utilizan para aumentar la eficiencia en los procesos de desalinización al reducir el consumo de energía. Estos métodos permiten reciclar el calor latente del vapor y aumentar la presión del vapor, respectivamente, lo que reduce la energía requerida para producir agua dulce a partir de agua de mar o salobre. La elección entre uno u otro proceso depende de la tecnología y la configuración específica de la planta de desalinización.

Procesos de desalinización por membrana

El agua de alimentación se bombea a través de membranas semipermeables que filtran los sólidos disueltos. Los principales procesos de este tipo son:

La ósmosis inversa (RO). Este método se basa en el principio de la ósmosis, que es el movimiento natural de agua desde una solución menos concentrada (hipotónica) a través de una membrana hacia una solución más concentrada (hipertónica) con el fin de igualar las concentraciones de solutos en ambos lados de la membrana.

La ósmosis inversa invierte este proceso natural para eliminar la sal y otros contaminantes del agua de mar o salobre, produciendo agua dulce. Este proceso implica:

1. Pretratamiento: El agua de mar primero pasa por un proceso de pretratamiento para eliminar partículas sólidas, sedimentos, materia orgánica y contaminantes suspendidos. Esto evita que estos materiales obstruyan o dañen las membranas utilizadas en la ósmosis inversa.
2. Presurización: El agua de mar se presuriza para forzarla a pasar a través de una membrana semipermeable que retiene selectivamente los iones de sal y otros contaminantes, permitiendo que solo las moléculas de agua pasen a través de ella.
3. Ósmosis Inversa: El agua de mar presurizada fluye a través de la membrana de ósmosis inversa. Debido a la alta presión aplicada, el agua fluye a través de la membrana, dejando atrás la sal y otros contaminantes en el lado de entrada de la membrana.
4. Recuperación de Permeado: El agua dulce resultante, conocida como "permeado," se recoge en el lado opuesto de la membrana y es apta para su uso.

La ósmosis inversa es ampliamente utilizada en plantas de desalinización, especialmente en regiones costeras donde el acceso al agua dulce es limitado y es conocida por su eficiencia y capacidad para producir agua dulce de alta calidad. Además, es adecuada para aplicaciones de diferentes escalas, desde sistemas domésticos hasta plantas de desalinización a gran escala.

La electrodesionización (EDI). Esta una nueva tecnología es una combinación de electrodiálisis e intercambio iónico. Este proceso de desalinización utiliza membranas y electricidad para eliminar los iones y contaminantes disueltos del agua, produciendo agua dulce de alta calidad.

La EDI es una tecnología avanzada que se utiliza en plantas de desalinización y en aplicaciones industriales para tratar agua de mar, agua salobre y otros tipos de aguas salinas. Este proceso implica:

1. Membranas: La EDI utiliza membranas selectivas de iones que permiten el paso de iones específicos y bloquean otros, lo que permite la eliminación de sales y contaminantes disueltos del agua. Estas membranas están diseñadas para separar los iones positivos (cationes) de los iones negativos (aniones).
2. Electrodos: En una cámara entre las membranas se colocan electrodos que generan un campo eléctrico. Cuando se aplica una corriente eléctrica a través de las membranas, los iones positivos son atraídos hacia los electrodos negativos, mientras que los iones negativos son atraídos hacia los electrodos positivos.
3. Compresión del agua: El agua de alimentación, que es agua de mar o agua salobre, se presuriza y se hace fluir a través de las cámaras de membranas. A medida que el agua fluye a través del sistema de membranas y electrodos, los iones son atraídos y se acumulan en las cámaras de concentrado, lo que reduce la concentración de iones en el agua.
4. Producción de agua dulce: El agua dulce resultante se recolecta en las cámaras entre las membranas y se puede utilizar como agua potable o para otros fines.

La EDI es conocida por ser una tecnología de desalinización eficiente y continua, ya que no requiere una regeneración química periódica, como en el caso de la desalinización por intercambio iónico tradicional. Además, tiene la ventaja de producir agua dulce de alta pureza sin la necesidad de productos químicos adicionales.

El papel de la energía nuclear

La desalinización consume grandes cantidades de energía. Suponiendo un proceso termodinámicamente reversible, el mínimo requerimiento de trabajo para desalar agua de mar, con 35,000 ppm de sólidos disueltos totales (SDT), es del orden de 0.7 kWh/m3. Aunque las tecnologías de desalación más eficientes tratan de minimizar la irreversibilidad del proceso, aun así, los requerimientos energéticos son de 4 a 5 kW(e)h/m3 de agua desalada.v

Según la OIEA (2015) "Solo los reactores nucleares son capaces de suministrar las copiosas cantidades de energía necesarias para los proyectos de desalinización a gran escala". Así, podemos afirmar que la principal contribución de la energía nuclear en la desalinización es proporcionar una fuente constante y eficiente de calor necesario para convertir agua de mar en agua dulce a través de procesos térmicos, como la destilación o la ósmosis inversa.

A continuación, se explican los aspectos clave del papel de la energía nuclear en la desalinización:

1. Suministro de energía térmica constante: La energía nuclear se utiliza para generar calor constante a través de la fisión nuclear (en reactores nucleares de fisión) o en un futuro, la fusión nuclear (aunque la fusión aún se encuentra en fase de desarrollo). Esta fuente de calor constante es esencial para mantener las temperaturas necesarias en los procesos de desalinización, ya que la producción de agua dulce a partir de agua de mar requiere la evaporación y condensación de agua a temperaturas elevadas.
2. Eficiencia y bajas emisiones de dióxido de carbono: La energía nuclear es conocida por su alta eficiencia y bajas emisiones de dióxido de carbono (CO2). Esto la hace atractiva para la desalinización, ya que contribuye a reducir la huella de carbono en la producción de agua dulce en comparación con otras fuentes de energía que pueden ser más contaminantes.
3. Plantas de desalinización a gran escala: Las plantas de desalinización que requieren grandes cantidades de energía para producir agua dulce, como las instalaciones de destilación múltiple efecto (MSF) y ósmosis inversa (RO), a menudo se benefician de la energía nuclear. La producción continua de calor en las centrales nucleares se adapta bien a las necesidades de operación de estas plantas de desalinización a gran escala.
4. Estabilidad y fiabilidad energética: La energía nuclear proporciona una fuente de energía estable y fiable que no depende de factores climáticos, como la radiación solar o el viento. Esto es especialmente importante en regiones áridas y costeras donde la desalinización es crucial para garantizar un suministro de agua constante.