El agua de mar se purifica mediante destilación cuando se evapora y después se condensa, porque las sales minerales no son volátiles y quedan separadas del vapor de agua. A presión atmosférica, el agua hierve aproximadamente a 100 °C, pero en las plantas desalinizadoras se puede reducir la presión hasta el vacío para que el agua se evapore a temperaturas mucho más bajas.
En la destilación térmica a baja temperatura, el agua de mar se destila reduciendo la presión y aprovechando fuentes de calor residuales, naturales o artificiales. Por tanto, no existe una única temperatura de funcionamiento: depende de la presión, del tipo de destilación y del gradiente térmico disponible.
Por qué la destilación elimina la sal del agua de mar
La desalinización es el proceso por el cual se eliminan las sales minerales disueltas en el agua. En la actualidad, dicho proceso, aplicado al agua del mar, es uno de los más usados para obtener agua dulce para el consumo humano o agrícola.
La desalinización se produce de forma natural durante el ciclo del agua: la evaporación del agua del mar deja detrás la sal y forma nubes que dan lugar a la lluvia. Aristóteles observó que el agua de mar evaporada y condensada se volvía dulce, y Da Vinci comprendió que era fácil obtenerla usando un alambique.
El principio básico de todos los procesos de evaporación consiste en aportar calor al agua de entrada, consiguiendo su evaporación, para posteriormente lograr su condensación en forma de agua. Como las sales no son volátiles, resulta sencilla la aplicación de técnicas de este tipo para lograr la separación de sales y obtener agua desalada.
| Fase | Qué sucede |
|---|---|
| Calentamiento | El agua de mar recibe calor o se somete a una reducción de presión. |
| Evaporación | El agua pasa del estado líquido al gaseoso, mientras las sales quedan en el agua concentrada. |
| Condensación | El vapor se enfría y vuelve al estado líquido como agua con baja concentración salina. |
| Separación | La corriente de agua dulce se separa de la salmuera. |
Temperatura de ebullición y destilación al vacío
A presión atmosférica, la destilación convencional requiere hacer hervir el agua de mar en un alambique, recoger el vapor y condensarlo para obtener agua dulce. Sin embargo, este método consume grandes cantidades de energía.
El método consiste en destilar agua de mar a bajas temperaturas reduciendo la presión hasta el vacío y aprovechar al máximo las fuentes de calor residuales (naturales o artificiales) para evaporar el agua y luego condensarla en un disipador de calor más frío.
Al disminuir la presión, también disminuye la temperatura necesaria para que el agua se evapore. Por esta razón, la destilación al vacío puede purificar agua de mar sin mantenerla continuamente cerca de 100 °C.
Así pues, para realizar este proceso se necesita una fuente de calor externa que proporcione el calor latente de evaporación y un gradiente de temperatura para mantener el ciclo de destilación. Dependiendo del gradiente de temperatura disponible se pueden implementar varias etapas, lo que lleva a un dispositivo multi-etapa más eficiente.
Destilación térmica a baja temperatura
Cool Steam es una innovadora tecnología de destilación basada en la destilación térmica a baja temperatura (LTTD), que permite obtener agua dulce de fuentes de agua no seguras con un consumo de energía sustancialmente bajo.
España es uno de los países europeos más sensibilizados por el problema de la escasez de agua, como lo demuestra la alta regulación de presas de los ríos mediterráneos. En este contexto de necesidad, comenzamos una nueva investigación hace ocho años, con el fin de obtener una tecnología de desalinización más sostenible para el medio ambiente basada en el método de destilación al vacío, capaz de competir con las tecnologías de desalinización actuales como la ósmosis inversa de agua de mar (RO), destilación multi-efecto (MED) o la destilación súbita por efecto flash (MSF).
El sistema necesita una fuente de calor externa que aporte el calor latente de evaporación, pero puede utilizar calor residual en lugar de generar todo el calor desde cero. El vapor producido se dirige después hacia una zona más fría, donde se condensa y se recoge como agua dulce.
Temperatura en los principales procesos de destilación
Evaporación instantánea multietapa o MSF
La Evaporación Instantánea Multietapa consiste en evaporar el agua de mar en varias cámaras o etapas sucesivas (típicamente 15 ó 25) con presiones y temperaturas decrecientes en cada una de ellas.
El agua es precalentada mediante condensadores en cada una de estas etapas. Al pasar a la siguiente etapa y tener ésta una menor presión, se provoca la evaporación del agua, quedando las sales en el fondo del depósito.
La temperatura no es la misma en todas las cámaras: desciende progresivamente junto con la presión. De este modo, el agua puede evaporarse en cada etapa sin que sea necesario calentarla hasta la temperatura de ebullición correspondiente a la presión atmosférica.
El vapor generado por evaporación se convierte por condensación en agua con baja concentración salina.
Destilación multiefecto o MED
El principio de la Destilación Multiefecto es similar al anterior ya que está formado de cámaras o efectos sucesivos operando a una presión progresivamente más baja.
Las plantas de Destilación Multiefecto están formadas por tubos verticales u horizontales que contienen vapor caliente y sobre los que se pulveriza el agua de entrada para que actúe como intercambiador térmico.
El vapor se condensa dentro de los tubos y como consecuencia del intercambio térmico sobre las paredes del tubo hace posible que el agua de entrada del lado exterior de los tubos se evapore.
Ese vapor libre de sales, pasa al siguiente efecto y calienta la parte interna de los tubos mientras se condensa en forma de agua desalada. Se vuelve a pulverizar agua salada a menor presión sobre la parte exterior de esos mismos tubos, que se evapora.
Este proceso se repite sucesivamente en una serie de efectos (típicamente entre 5 y 20). Como sólo es necesario aplicar calor externo en el primer efecto, esta técnica requiere un aporte energético menor que la MSF.
En la destilación multiefecto, la temperatura va disminuyendo de un efecto al siguiente porque también disminuye la presión. La temperatura exacta depende del diseño de la planta y de las condiciones de operación, por lo que el dato esencial es que se trabaja con presiones y temperaturas progresivamente más bajas.
Destilación solar
Imitando el ciclo del agua, consiste en evaporar agua de mar en grandes instalaciones con cubiertas donde se condensa y se recoge en forma de agua dulce. Aunque la energía usada es la propia del calor del sol, se requieren grandes extensiones de terreno.
El mismo principio puede reproducirse a pequeña escala: el agua salada se calienta, se evapora y después se condensa sobre una superficie más fría. La energía térmica procede en este caso de la radiación solar.
Compresión del vapor
Se emplea el calor sobrante de centrales eléctricas o refinerías para evaporar y condensar el agua del mar, purificándola. Es uno de los métodos para desalinizar agua del mar más eficientes.
Este procedimiento aprovecha una fuente de calor ya disponible y reduce la necesidad de aportar energía térmica nueva al agua de mar.
Cómo funciona una desalinizadora térmica
Los procesos convencionales de desalación separan el agua proveniente del mar en dos partes:
- Líquido con una baja concentración de sales disueltas.
- Salmuera concentrada (desecho del proceso).
En los procesos de evaporación, el agua de entrada recibe calor, se transforma en vapor y posteriormente se condensa. Las sales permanecen en la corriente líquida que no se evapora, por lo que se forma una salmuera con una concentración salina mayor.
Todos los procesos de desalación separan el agua de entrada (de mar o salobre) en dos corrientes diferentes: una de agua desalada (el agua producida) y una corriente de lo que se conoce como salmuera (también denominado concentrado o rechazo) y que es el mismo agua de entrada con una mayor concentración de sales, al estar éstas diluidas en menor cantidad de agua.
| Corriente | Características |
|---|---|
| Agua desalada | Agua producida con baja concentración de sales. |
| Salmuera | Agua de entrada con una mayor concentración de sales. |
Destilación frente a otros métodos de desalinización
Las principales técnicas de desalación actualmente a nivel global para desalar agua de mar o salobre se dividen en dos grandes grupos: Evaporación o destilación y membranas.
Dentro de los procesos de evaporación, encontramos las siguientes técnicas: Evaporación Instantánea Multietapa (MSF) y Destilación Multiefecto (MED). Y los procesos de membranas comprenden las siguientes técnicas: Ósmosis Inversa, Nanofiltración y Electrodiálisis.
La técnica más utilizada actualmente a nivel mundial para desalar agua es la Ósmosis Inversa, que alcanza casi el 70% del total; seguida de la MSF (18%), la MED (7%), la Nanofiltración (3%) y por último la Electrodiálisis (2%).
| Técnica | Proporción indicada |
|---|---|
| Ósmosis Inversa | casi el 70% del total |
| MSF | 18% |
| MED | 7% |
| Nanofiltración | 3% |
| Electrodiálisis | 2% |
Ósmosis inversa
La desalación por Ósmosis Inversa consiste en aplicar una presión mecánica para contrarrestar la presión osmótica natural, y lograr así filtrar el agua a través de membranas semipermeables que permiten el paso de las moléculas de agua, pero no el de las sales disueltas en ella.
Obtenemos pues la corriente de agua desalada, con menor concentración de sales, y una corriente con mayor concentración salina.
Es el proceso más usado y consume menos energía que el resto al basarse en el uso de membranas semipermeables que dejan pasar el agua, pero no la sal.
La presión ejercida dependerá de la cantidad de sólidos y el grado de desalación que se quiera obtener.
Nanofiltración
La desalación por nanofiltración tiene un principio muy similar al de la Ósmosis Inversa. La principal diferencia respecto a ella, son las características de las membranas semipermeables utilizadas en esta técnica que ofrecen un mayor porcentaje de rechazo de algunos iones de las sales, lo que permite operar a presiones más bajas.
Es un proceso que emplea membranas de nanotubos de mayor permeabilidad que las de la ósmosis inversa, lo que permite procesar más agua en menos espacio usando menos energía.
Electrodiálisis
La desalación por electrodiálisis consiste en el paso de iones bajo el efecto de una corriente eléctrica continua a través de una serie de membranas permeables selectivas catiónicas y aniónica que permite la separación electroquímica de los iones.
Se colocan entre dos electrodos las membranas separadas entre sí unos milímetros para que circule el agua de entrada. Las membranas permiten el paso de los iones, siendo estos transferidos a través de ellas de una solución menos concentrada a otra de mayor concentración.
Aplicada a la potabilización de agua de mar, la electrodiálisis utiliza la corriente eléctrica para mover los iones de sal presentes en el agua y, gracias a unas membranas, separar el agua dulce. Este método es especialmente eficiente para desalar aguas con baja salinidad.
Proceso completo de una planta desalinizadora
Muchas plantas desaladoras utilizan la ósmosis inversa. Recogen directamente el agua del mar desde torres o pozos costeros para, después, trasladarla a sus instalaciones.
Allí comienza el proceso de desalinización y potabilización del agua que podríamos resumir en los siguientes pasos:
- El agua entra en una zona de «pretratamiento» donde se eliminan sólidos en suspensión, microorganismos o bacterias.
- Después, pasa por filtros de arena y coagulantes, y por una segunda etapa de «microfiltración» con carbón activado (u otros productos similares).
- Ya en el corazón de la desaladora, se realiza el proceso de ósmosis inversa.
- Posteriormente, una bomba de presión hace que el agua pase por diferentes membranas semipermeables, de forma que se libera completamente de restos salinos.
- Se inicia el postratamiento del agua para su adaptación al consumo humano, siendo necesaria una remineralización para que tenga los componentes y el pH óptimo (según la OMS, el pH ideal del agua potable debe estar entre 6.5 y 8.5).
- La salmuera sobrante se retira y se devuelve al mar diluida para evitar que dañe el ecosistema marino donde es devuelta.
Ventajas y límites de la destilación del agua de mar
La destilación es uno de los métodos más efectivos para eliminar los contaminantes del agua. También se utiliza en áreas donde el agua está contaminada por contaminantes naturales y no naturales.
Durante los siglos posteriores, la desalinización del agua del mar se usó sobre todo en barcos y submarinos para proveer de agua dulce a la tripulación durante largas travesías. Sin embargo, este proceso no estuvo disponible a gran escala hasta la revolución industrial y, sobre todo, hasta el desarrollo de las plantas desalinizadoras.
La desalinización es una necesidad creciente a medida que disminuyen las reservas de agua dulce en el mundo. Según el estudio de la ONU citado anteriormente y publicado por la revista Science of the Total Environment, combinada con un uso responsable de los recursos hídricos, puede ser clave para solucionar la escasez de agua en el futuro, pese a algunas desventajas que conviene no pasar por alto.
Además, muchos procesos de desalinización requieren calentar el agua, presurizarla o ambas cosas, lo que tiene un elevado coste energético. La solución en este caso consiste en emplear energías renovables, como la solar, para reducir el consumo de las desalinizadoras.
- La destilación puede eliminar las sales porque el agua se evapora y las sales permanecen en la corriente líquida.
- La destilación al vacío permite trabajar a temperaturas inferiores a la ebullición a presión atmosférica.
- La utilización de calor residual puede reducir el consumo energético del proceso térmico.
- La evaporación y la condensación requieren una fuente de calor y un disipador de calor más frío.
- La temperatura y la presión disminuyen progresivamente en las instalaciones multietapa y multiefecto.
Impacto ambiental y gestión de la salmuera
El proceso de desalación del agua no está libre de impacto, ya que el residuo resultante del proceso es la salmuera, agua residual con una alta concentración de sal y contaminantes, que en muchos casos se vierte al mar y afecta a los ecosistemas.
También hay un riesgo de filtraciones que pueden contaminar los acuíferos de la costa.
Manzoor Qadir, coautor del estudio, propone "convertir un problema ambiental en una oportunidad económica". Y en el estudio se citan algunas de ellas: utilizar la salmuera para la acuicultura, para generar electricidad o para recuperar los metales contenidos en ella, como el magnesio, el yeso, el calcio, el potasio, el cloro o el litio.
Otra posible vía para una desalinización sostenible consiste en emplear la biotecnología, por ejemplo, mediante cultivos de cianobacterias que son capaces de procesar el agua del mar formando a su alrededor un depósito de baja salinidad.
Importancia de la desalinización
El agua es uno de los recursos más preciados del planeta y, según la ONU, su escasez afecta ya a más del 40 % de la población mundial. Un dato que ha hecho saltar las alarmas y que impulsa la búsqueda de soluciones.
El agua cubre el 70 % de nuestro planeta y es fácil pensar que hay más que suficiente. Sin embargo, el agua dulce es escasa en el mundo -solo lo es el 3 %- y dos tercios no están disponibles, ya que se encuentran en forma de hielo o son inaccesibles.
Unos 1.100 millones de personas en todo el mundo carecen de acceso a agua dulce y unos 2.700 millones sufren escasez durante al menos un mes al año.
Se da la paradoja de que muchas de las zonas afectadas por la escasez de agua dulce tienen el mar muy cerca y ahí es donde la desalinización puede ayudar.
En el mundo, según el último estudio realizado al respecto por investigadores del Instituto para el Agua, el Medio Ambiente y la Salud de la Universidad de Naciones Unidas (UNU-INWE) en 2019, hay aproximadamente 16.000 plantas de desalinización operativas -repartidas en 177 países- y en conjunto generan unos 95 millones de m3 al día de agua dulce.
La desalación de agua puede ser clave para combatir la escasez de agua dulce, un recurso, vital e indispensable, cuya carencia ya se traduce en una grave crisis humanitaria, ambiental y económica en muchos rincones del planeta.
PLANTA DESALINIZADORA
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