China nos ofrece la desalación de mar más económica

Para desalar el agua de mar con el método electrodiálisis inversa se ha creado una nueva membrana de plástico para abaratar los costes de desalación con dos tipos de polímeros: block copolymer (BCP) y tereftalato de polietileno(PET). Es una nueva forma de Osmosis Inversa.

Los autores son los científicos chinos Zehn Zhang y Liping Wen, de la Academia de Ciencias China en 2015. Para desalar el agua de mar hay dos métodos principales: la Osmosis inversa (OI) y la electrodiálisis inversa (ED).

Al construir una planta desaladora, ¿qué método es mejor? Hemos de medir el peso molecular de los contaminantes del agua. Si el peso es bajo (generalmente moléculas de la química inorgánica) la ED es preferible, incluso económicamente. Si es alto la OI es preferida. De hecho más de la mitad de las plantas de desalación a nivel mundial son de OI. La presión sobre el filtro-barrera y el agua de mar es lo más baja posible, por motivos económicos. El método escogido elige entre dos clases de iones: los admitidos para desalar y rechaza el resto. El agua salobre, con sal circula más despacio que el agua blanda, potable, y la desalación funciona. En el método de electrodiálisis las sales, el agua salobre, no puede atravesar la membrana, pero el agua sin iones, el agua limpia sí.

El coste por m³ de agua desalada disminuye con los años, y el consumo de electricidad también: en 1970 el coste era de 2,1 euros por m³, pero en el año 2000 costaba 0,6 euros/m³. En la actualidad el coste eléctrico ha descendido a 0,3 e/m³. En el Mediterráneo las desaladoras atienden a la población civil y a los turistas, pero la agricultura no puede comprar agua desalada.

La ED es un proceso de separación electroquímica en el que las membranas cargadas y una diferencia de potencial eléctrico se usan para separar especies y otros componentes no cargados de una solución acuosa. La membrana plana se puede fabricar en forma de ‘tela, una hoja’ o en forma de fibra hueca, tubo, con un poro de tamaño microscópico, entre 50 nm y 0,1 micra. El tamaño normalmente es capilar, una membrana simétrica. Ofrece la mayor superficie filtrante por unidad de volumen. La ultrafiltración. El transporte de agua se realiza por la presión diferencial a ambos lados de la membrana tela, de OI. La membrana es semipermeable, rechaza la bacteria, los virus, los iones de bajo peso molecular. La presión diferencial a ambos lados de la membrana debe ser superior a la presión osmótica del agua de mar. Hay membranas de alto rechazo de iones de sales monovalentes (ClNa), que trabajan con una presión de bombeo entre 50 y 80 kg/m² para desalar el agua de mar.

Shanghai ha dedicado dos rascacielos como monumento al agua, formando puente sobre el río.

Pero si el agua es de pozo o de río basta una presión de 15-30 kg/m^2, 3 gramos de sal/m². Un flujo contaminado de agua lo convierten en dos fluidos, el contaminado y el que está libre de iones. La bacteria estará libre de oxidantes, tales como clorogas, hipoclorito, permanganato potásico, ozono, etc., los cuales impiden el desarrollo de bacterias, virus, hongos.

La ED es utilizada ampliamente para la desalación de agua salobre, y en algunas zonas del mundo es el proceso principal para la producción de agua potable.

La energía eléctrica suministra la fuerza directora en ED para la migración iónica a través de las membranas, nos referimos al agua potable que las atraviesa. La eliminación del soluto, la sal, tiene lugar en la membrana bipolar y con poros que rechaza el soluto. El tamaño del poro en superficie no es el mismo que en el interior, tiene forma de cono.

En muchas aplicaciones la ED bipolar está en competencia directa con al OI, pero su aplicación industrial es relativamente reciente, a partir de 1990. Ha desplazado virtualmente a la ED unidireccional. La membrana para intercambio catiónico está cargada negativamente, y es permeable para cationes como los de sodio y calcio, mientras que no es permeable para aniones como el cloruro y el sulfato.

Las membranas de intercambio aniónico están cargadas positivamente, y se comportan de modo opuesto. En el proceso de ED el agua fluye entre membranas permeables catiónicas e iónicas colocadas alternativamente en batería. La corriente continua suministra la fuerza motriz para la migración iónica a través de las membranas. La electricidad es suficiente para matar las bacterias.

La electrodinámica inversa EDI opera sobre los mismos principios del proceso estándar ED. Los iones son transferidos en direcciones opuestas a través de las membranas. El proceso ED bipolar utiliza membranas de intercambio iónico, para separar y concentrar los constituyentes ácido y base de la corriente de sal. El elemento clave en este proceso ED es la membrana bipolar. Así llamada porque está compuesta de dos capas diferentes, que son selectivas a iones de cargas opuestas.

Con ayuda de la corriente eléctrica aplicada el agua se difunde en la interfase de membrana donde se divide en iones H+ y OH-. El mecanismo fundamental de la ED es el transporte de electrólitos. A través de las membranas, está claro que el proceso ED y EDI separa los compuestos ionizados de los no ionizados desde una solución. La eliminación de contaminantes en la ED está restringido a iones de peso molecular bajo, como sodio, calcio, cloruro, sulfato, etc. La ED no sirve para los grandes iones orgánicos.

Los investigadores describen la nueva membrana como asimétrica y heterogénea, mecánicamente robusta. Es asimétrica porque cada lado de la membrana filtra los iones de modo diferente. Además es heterogénea porque cada lado está compuesto con material diferente. Aquí los investigadores utilizan dos tipos de polímeros diferentes BCP y PET.

Se trata de membranas semipermeables, que actuarán como barrera contra ciertos iones, con su carga positiva o negativa. Pero la membrana dejará pasar sin ofrecer resistencia los iones de signo eléctrico contrarios. En desalación nos interesa que los iones de cloro no puedan atravesar la membrana. Esa agua sin cloro, ahora blanda, sin ser dura, creará una corriente lo más intensa posible a través de la membrana.

Gracias a una intensa labor de investigación de los científicos chinos Zehn Zhang y Liping Wen, de la academia de ciencias de China, se ha logrado crear la nueva membrana para desalar con un coste menor. Es la membrana bipolar formada por dos capas de material diferente, asimétrica y heterogénea, con polímeros BCP y PET.

Interesa disminuir al máximo el paso de iones de cloro a través de la membrana, sin disminuir el flujo de agua pura producida. Si la sal se difunde mucho menos que el agua ocurrirá la desalación. Se puede incluso impedir el paso de iones, y para ello se ha buscado polímeros de membrana que no soportan el paso de iones de cloro. Es la nueva membrana.

Aunque no todas las membranas asimétricas son heterogéneas presentan ciertas ventajas: son más fáciles de fabricar y tienen más aplicaciones que las asimétricas hechas con un solo material. La característica más importante de la nueva membrana es que transporta los iones en una dirección, y los impide avanzar en dirección contraria. En consecuencia generan más corriente eléctrica en una dirección a través de la membrana que en la opuesta, y la llaman Corriente iónica de rectificación. Es la corriente de agua sin sal.

La nueva membrana tiene una Rectificación que es más del doble de la lograda hasta el momento. Esta relación de Rectificación representa una asimetría de la corriente eléctrica. La asimetría de la nueva membrana es química, eléctrica y geométrica, muy útil para las aplicaciones.

El funcionamiento es semejante al diodo semiconductor, para controlar el transporte de electrones, y representa la habilidad de entregar en la debida dirección cantidad controlable de moléculas de agua e iones. Abre una nueva forma de manipular moléculas e iones en circuitos semiconductores, el diodo nanofluido, con una relación de rectificación alta. Ahora se cumplen los requisitos para concentrar y separar iones y moléculas en soluciones de electrolito. En la membrana asimétrica se favorece la conversión de energía fotoeléctrica con una alta rectificación.

La nueva membrana es más selectiva, y con ello logramos disminuir el consumo eléctrico en el método de electrodiálisis para desalar. La cantidad de agua desalada es proporcional a la diferencia de concentración de iones a ambos lados de la membrana.

Una característica importante de la membrana es su porosidad, con sus poros de dimensiones nano y en forma de cono. Esos conos dan alta selectividad a la membrana por su habilidad en separar las partículas según su carga eléctrica. Es una técnica que nos recuerda la electrodinámica inversa.

Es un instrumento de conversión de energía. La nueva membrana funciona como en la electrodinámica inversa, en la cual la energía de la membrana depende de la concentración de iones. Por ejemplo, los iones de cloro cargados negativamente, y los iones de potasio cargados positivamente en los dos lados opuestos de la membrana. En un gradiente de concentración los iones de cloro espontáneamente se difunden a través de la membrana, sin atravesarla, para bajar el gradiente de concentración y podemos medir la energía de la corriente generada por la difusión de iones.

Los investigadores predicen, no lo han medido, que la nueva membrana puede producir una potencia de miles de vatios por metro cuadrado. Es un rendimiento equivalente, y aun lo supera, el generado por membranas comerciales de electrodinámica inversa, con su alto rendimiento. Por el lado de la membrana, con su baja concentración de iones de cloro. Esos iones tienden a agruparse en las aberturas de poros de carga eléctrica positiva. El resultado es que pocos iones atraviesan la membrana. La membrana de polímero atrae los iones, pero pocos la atraviesan, prefieren continuar en el agua salada.

La concentración de iones de cloro cerca de los poros favorece la difusión de iones, lo cual es una ventaja favorecida por la asimetría.

A nivel mundial la mayoría de instalaciones de desalación es de membrana de ósmosis inversa en donde el agua de mar es presurizada mecánicamente a 60 bares para penetrar el filtro con poros. No hay consumo de energía eléctrica. Los nanotubos de carbono se utilizan para fabricar la membrana de OI, ideal para plantas pequeñas a bordo de barcos de pesca y submarinos. La presión mecánica sobre la membrana es algo superior a la presión osmótica. La luz ultravioleta aplicada al agua (onda de 185nm y 204nm destruye casi todas las bacterias).

Existe la nanofiltración, muy semejante a la OI, el agua de mar atraviesa la nanomembrana a presión mecánica, con poros (100 nm) algo mayores que los poros de la OI.

Otras tecnologías como la electrodiálisis comprimen el agua con bombas eléctricas, para lograr la separación de iones positivos y negativos.

A nivel mundial las plantas de desalación aumentan sin cesar: en el año 2016 hay 13.080. Hay que añadir la desalación en cada transatlántico.

Es un nuevo método de desalación del agua de mar, más fácil, más económico, y ahorra energía, que se hizo público en septiembre de 2015. Es un proceso en dos etapas, que no está basado en el consumo de energía eléctrica. Es una tecnología que separa líquidos y sólidos. La primera etapa consiste en filtrar líquidos con una membrana de polímero o de cerámica. La 2ª etapa requiere vaporizar el agua condensada. Es una evaporación rápida y más eficiente en energía que el método convencional, porque el calor necesario para la vaporización no procede de la energía eléctrica. Hasta ahora esas membranas eran caras y difíciles de fabricar.

La solución es una membrana que atrae la sal con una mezcla de fibra y polvo de acetato de celulosa. Es una fibra de la madera, de bajo precio, y la podemos fabricar en el laboratorio. Desaliniza con rapidez. La membrana se puede usar en lugares remotos, y con fuego se vaporiza el agua.

Hay que demostrar el valor comercial del método, adaptado a países pobres en agua y electricidad. Lograr agua pura depende de la salinidad del agua marina y el método usado. Requiere una 2ª etapa que bombea el agua por 2ª vez.

El agua de mar contiene un total de sólidos disueltos, de al menos 2.000 mg/l y es preferible usar la OI. El agua mineral, potable contiene una salinidad menor de 500 mg/l, y es preferible desalarla con ED.

La mitad de la energía necesaria para desalinizar (bombas de alta presión) se puede recuperar, por ejemplo, en ósmosis inversa. La bomba alcanza una presión de 3 bar/50 psi, muy usada en Plantas de desalación de baja energía, que rinde 3 kWh/m³. Una unidad combina la bomba de alta presión y la recuperación de energía en una misma instalación. El consumo es de 3 kWh/m³.

Referencias

• Mc Dermott, J.Desalination by O.I. Noyes data corporation, New Jersey, 1970.
• AWWA, Lyonnais des Eaux. Tratamiento del agua por procesos de membrane. Mac Graw Hill, Madrid 1998.
• Scott, K. Handbook of industrial membranes. Elsevier Tehnology. Oxford 1995.
• Mears, P.Membrane separation processes. Amsterdam 1995.
• Zehn Zhang New membrane improves energy harvesting by reverse electrodialysis. Elsevier 2015.
• Matt Kelly Improved polymer membranes may simplify desalination, Reduce cost. Virginia University 2016.