Nuevo método de desalinización menos dañino podría transformar la gestión global del agua

La disponibilidad de agua se está convirtiendo en un desafío global urgente. Cientos de millones de personas ya viven en regiones con escasez de agua, y la ONU proyecta que para el año 2030 aproximadamente la mitad de la población mundial vivirá en áreas con alto estrés hídrico. Esta será una crisis que alcanzará incluso países desarrollados, donde se espera escasez de agua dulce en los próximos 10 años. A medida que crezca la población mundial, también lo hará la demanda de agua dulce. Y con el continuo aumento de las temperaturas globales, la escasez de agua sólo empeorará.

Los procesos de desalinización se utilizan cada vez más para aumentar el suministro de agua dulce. De hecho, se prevé que la capacidad de desalinización global se duplique entre 2016 y 2030. Pero estos procesos son costosos y pueden ser perjudiciales para el medio ambiente. Las salmueras de salinidad ultraalta, que son el subproducto de la desalinización, pueden tener varias veces más salinidad que el agua de mar y sus opciones de manejo son especialmente difíciles para las instalaciones de desalinización en territorios de interior.

Desde el año pasado, investigadores de Columbia Engineering han estado refinando su enfoque de desalinización no convencional para las salmueras hipersalinas (extracción con solvente de oscilación de temperatura (TSSE)), lo que muestra una gran promesa para un uso generalizado. La TSSE es radicalmente diferente de los métodos convencionales porque es una técnica basada en extracción con solvente que no utiliza membranas y no se basa en el cambio de fase por evaporación: es efectiva, eficiente, escalable y sustentable. En un nuevo artículo, publicado en línea el 23 de junio en Environmental Science & Technology, el equipo informa que su método les ha permitido alcanzar una descarga cero de líquidos (ZLD) de alta salinidad con alta eficiencia, la primera demostración de TSSE para la desalinización de ZLD con salmueras hipersalinas.

«La descarga cero de líquidos es la última frontera de la desalinización«, afirma Ngai Yin Yip, profesor asistente de ingeniería ambiental y terrestre, y director del estudio. «Evaporar y condensar el agua es la práctica actual de ZLD, pero requiere mucha energía y es muy costoso. Pudimos lograr una descarga cero de líquidos sin hervir el agua; este es un avance importante para desalinizar las salmueras de salinidad ultraalta que demuestra cómo nuestra técnica TSSE puede ser una tecnología transformadora para la industria mundial del agua«.

El proceso TSSE de Yip comienza con la mezcla de un solvente de baja polaridad con la salmuera de alta salinidad. A bajas temperaturas (el equipo usó 5°C), el solvente TSSE extrae agua de la salmuera pero no sales (que están presentes en la salmuera como iones). Al controlar la proporción de solvente a salmuera, el equipo puede extraer toda el agua de la salmuera al solvente para inducir la precipitación de sales; después de que todo el agua sea «succionada» en el solvente, las sales forman cristales sólidos y caen al agua, que luego se puede tamizar fácilmente.

Después los investigadores separan las sales precipitadas, calientan el solvente cargado de agua a una temperatura moderada de alrededor de 70°C. A esta temperatura más alta que la anterior, la solubilidad del solvente para el agua disminuye y el agua es expulsada del solvente, como una esponja. El agua separada forma una capa debajo del solvente y tiene mucha menos sal que la salmuera inicial. Se puede extraer fácilmente y el disolvente regenerado se puede reutilizar para el próximo ciclo de TSSE.

«No esperábamos que TSSE funcionara tan bien como lo hizo«, comenta Yip. «De hecho, cuando estábamos discutiendo su potencial para la descarga cero de líquidos, pensamos que sucedería todo lo contrario, que el proceso probablemente cedería en algún momento cuando hubiera demasiada sal para que siguiera funcionando. Así que resultó una grata sorpresa cuando convencí al investigador principal, Chanhee Boo, para que lo intentara, sólo por el gusto de hacerlo, un viernes por la tarde, y obtuvimos resultados tan excelentes«.

Con una alimentación de salmuera simulada (preparada en laboratorio) de 292.500 partes por millón de sólidos disueltos totales, el grupo de Yip pudo precipitar más del 90% de la sal en la solución original. Además, los investigadores estimaron que el proceso utilizó sólo alrededor de una cuarta parte de la energía requerida para la evaporación del agua, un ahorro de energía del 75% en comparación con la evaporación térmica de la salmuera. Reutilizaron el solvente durante varios ciclos sin pérdida notable en el rendimiento, lo que demuestra que el solvente se conservó y no se gastó durante el proceso.

Luego, para demostrar la aplicabilidad práctica de la tecnología, el equipo tomó una muestra de campo de salmuera de alta salinidad, el concentrado de agua de drenaje de riego en el Valle Central de California, donde el agua de drenaje de riego es difícil y costosa de tratar, y logró una descarga de cero líquidos con TSSE .

Los métodos de destilación convencionales requieren vapor de alto grado y con frecuencia se complementan con electricidad para alimentar las bombas de vacío. Debido a que la TSSE requiere sólo entradas de temperatura moderada, la energía térmica de bajo grado necesaria puede provenir de fuentes más sostenibles, como el calor residual industrial, la energía geotérmica de pozos poco profundos y los colectores solares de baja concentración.

«Con el solvente y las condiciones de temperatura adecuadas, podemos proporcionar opciones de gestión de concentrados rentables y ambientalmente sostenibles para las instalaciones de desalinización interior, utilizando agua subterránea salobre para aliviar el estrés hídrico actual y pendiente«, señala Yip.

Además de gestionar los concentrados de desalinización en el interior, la TSSE también se puede utilizar para otras salmueras de alta salinidad, incluido el flujo de retorno y el agua producida a partir de la extracción de petróleo y gas, las corrientes de desechos de las estaciones de energía eléctrica impulsadas por vapor, las descargas de las instalaciones de carbón a químicos y los vertederos con lixiviado (derrama de líquido resultante de un proceso de percolación de un fluido a través de un sólido, a veces tóxico). El grupo de Yip continúa investigando los mecanismos de trabajo fundamentales de TSSE, para diseñar mejoras adicionales en su rendimiento. Este trabajo incluye pruebas adicionales con muestras reales del campo, así como una optimización del proceso general.

Fuente: ACS Publications.