Desalinización, una alternativa a la escasez hídrica

Como una paradoja, nuestro país pasa actualmente una crisis hídrica nunca vista; no obstante, vivimos al lado de un océano que baña toda la costa del territorio. La preponderancia del agua salada se ha transformado poco a poco en una alternativa no solo para la gran industria chilena sino también para el uso humano. En este contexto, una serie de investigaciones realizadas en la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la U. de Chile trabajan por hacer de este proceso una solución más sostenible y amigable con el medioambiente.

Fuente: Ingeniería U. de Chile

Aunque, según algunos registros, fue en Chile que se construyó la primera planta desaladora en el mundo en el año 1872 –en la Región de Antofagasta–, no fue hasta más de un siglo después que se retomó la construcción de estas instalaciones como una solución necesaria no solo para la industria sino también para la falta de agua en los sectores más desérticos de nuestro país. 

Actualmente, debido a su eficiencia, gran parte de las plantas desalinizadoras en el mundo utilizan la osmosis inversa, un proceso en que el agua de mar, que contiene alrededor de 32 a 35 gramos de sal por litro de agua, es filtrada por membranas que transforman un alto porcentaje de ella en agua dulce.

“Esa tecnología trabaja básicamente con presión, es decir, lo que se hace es introducir una presión directa a esta agua salobre y la membrana actúa como una barrera que no deja pasar los iones de sal, obteniendo del otro lado el agua pura. El funcionamiento es simple, pero hay toda una ciencia detrás de esto, ya que es una membrana multicapa: tienes una capa porosa sobre la cual hay una capa muy compacta, muy fina –del orden de nanómetros–, la cual actúa como separador de iones”, explica Hugo Giraldo, investigador postdoctoral del Centro Avanzado de Tecnología para la Minería (AMTC), quien junto a la también investigadora del centro y académica del Departamento de Ingeniería de Minas, Andreina García, lideran varias líneas de investigación en este ámbito para mejorar el proceso de desalinización en términos de desempeño, además de hacerlo más sustentable. 

Una de ellas es hacer más eficientes las membranas estándares que hay en el mercado –llamadas membranas TFC (thin film composite)– mediante su modificación química. “La instalación de plantas desaladoras por osmosis inversa conlleva muchos problemas relacionados con el ensuciamiento de las membranas. Básicamente, esto puede ser por material inorgánico, orgánico e incluso biológico presente en el agua de mar, siendo el más crítico por bioensuciamiento o biofouling, que tiene que ver con las algas y los microorganismos vivos que están en estas aguas y que pueden afectar las membranas, desmejorando su rendimiento e incrementando los costos de mantención”, señala el investigador. 

Según la cantidad de estos microorganismos en el mar, las plantas deben realizar limpiezas periódicas y continuos cambios de membranas, lo que significa una importante inversión y la constante generación de desechos. Por tanto, los estudios se han enfocado en el control del biofouling, modificando las membranas convencionales y otorgándoles la propiedad anti-bioensuciamiento sin desmejorar su desempeño de desalinización. 

En este sentido, usando las mismas características del TFC se le añaden nanopartículas antibacteriales como, por ejemplo, cobre. “Tal vez el problema mayor de este tipo de diseños es el escalamiento. Nosotros hemos avanzado en la producción y validación a nivel del laboratorio, pero el escalamiento para pasar a una membrana en espiral a escala industrial es parte de los desafíos”, indica Hugo Giraldo. 

“Otra de las estrategias es modificar la membrana comercial entregada por el proveedor, otorgando valor por este efecto anti-bioensuciamiento, sin afectar sus propiedades. Así, sin que haya que desarmarla, podemos modificar también por incorporación de materiales biocidas, que pueden ser de origen cobre u otros. Básicamente, lo que se busca es modificar la superficie que está expuesta al agua de mar y hacer que la membrana resista un poco más de tiempo y que tenga una vida útil mayor a la actual. Con esto, puedes lograr bajar los tiempos de limpieza o recambio, contribuyendo a que sea mucho más sostenible este tipo de plantas y, sobre todo, que se generen menos desechos”, agrega.

Recuperación de agua a menor escala

Otros tipos de procesos de desalinización son aquellos que utilizan la destilación o la evaporación del agua para separarla de las sales. En este contexto, surgió el estudio a cargo del académico del Departamento de Ingeniería Química, Biotecnología y Materiales, Humberto Palza, quien, junto a un grupo de estudiantes, incorporó la nanotecnología y la energía solar a esta ecuación.

Debido a que el agua es transparente, la radiación atraviesa el líquido, siendo absorbido un espectro muy específico y reducido de la luz solar. Para evitar esto, surge la idea de los nanofluidos (solución compuesta por nanomateriales y un líquido base). “Al agregar directamente nanopartículas al agua, estas absorben muy fuerte la radiación y calientan el medio donde se encuentran, de tal manera que logran evaporar el agua, mejorando en un factor de tres, cinco e incluso diez, la eficiencia de captura solar. Con esto se pasa de un sistema que es casi inerte a un sistema que frente al estímulo solar va a generar vapor”, explica el académico, quien agrega que el sistema es muy eficiente y, como genera vapor, se puede utilizar en otras aplicaciones industriales donde se necesite. “En particular, se puede hacer un sistema de evaporación de agua de mar, porque quedaría retenida la sal y evaporaría el agua”.

El proyecto comenzó utilizando nanopartículas de cobre diseñadas y moduladas específicamente para la captura de radiación en el espectro visible del sol. El resultado –a escala de laboratorio– fue positivo, logrando una tasa de evaporación seis veces mayor con respecto al agua pura; no obstante, los altos costos del material los llevó a enfocarse en otros materiales.

“Actualmente estamos buscando diferentes partículas que compitan con el cobre o el grafeno –el cual también tiene resultado eficiente, pero caro–. Como Chile también es productor de molibdeno, estamos probando con este material, que además es mucho más barato que el grafeno. Ahora se está trabajando para validar el disulfuro de molibdeno, que es una nanopartícula natural y que se comporta igual que el grafeno en cuanto a su capacidad de absorción de energía y su eficiencia de absorción”, indica el académico. 

Con estas investigaciones se busca mejorar el sistema de evaporación de agua por luz solar, acercándose más a un sistema de desalinización más amigable con el medioambiente y con mejor eficiencia y costo. “No queremos competir con la membrana de osmosis inversa, porque comercialmente funciona y es masiva. Lo que queremos es buscar una estrategia que sea más sustentable y que sea a una escala menor; puede ser domiciliaria, puede ser para lugares que no tengan accesos a estas membranas. Para el proceso de osmosis inversa hay un gran costo, una inversión importante, que se suma a un gasto energético más o menos relevante. Con nuestra propuesta evaporas el agua sin gasto energético, 100% basado en luz solar”, señala Humberto Palza.

¿Y qué se hace con la salmuera?

Si bien la implementación de plantas de desalinización es considerada una solución a la escasez hídrica, el agua concentrada por el proceso de osmosis inversa genera una salmuera como desecho que se transforma en un problema para el medioambiente. 

A pesar de que al 2030 se espera un gran incremento de plantas desalinizadoras en nuestro país, aún no existe una regulación adecuada para evitar lo más posible el impacto de la salmuera al ecosistema circundante.

En este sentido, el grupo de la investigadora del AMTC también está explorando procesos de separación mediante destilación/cristalización por membrana como una forma de tratar soluciones muy concentradas de sales, como estas salmueras. Esto, en respuesta a las nuevas tendencias, respecto a la descarga cero líquido o Zero Liquid Discharge (ZLD). “Entre las ventajas potenciales de la implementación de métodos ZLD está la recuperación máxima de agua, recuperación de materias primas aprovechables (sales inorgánicas presentes en la salmuera) y la disminución considerable del impacto ambiental de las operaciones de desalinización. Con ello, se estaría promoviendo también el concepto de valorización de los residuos en un contexto de economía circular. Basado en esto, el equipo de investigación desarrolla membranas con propiedades ad-hoc a procesos de destilación/cristalización aplicadas a salmueras del proceso de osmosis inversa a fin de recuperar agua y elementos de valor desde dichas sales una vez cristalizadas”, explica Andreina García. 

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Por Andrea Dávalos Osorio / Subdirección de Comunicaciones FCFM – U. de Chile