Ósmosis inversa discontinua, agua potable del mar de forma mucho más eficiente

Actualizado: 05/07/2024

Un gran avance en la ósmosis inversa podría conducir a la desalinización de agua de mar más eficiente desde el punto de vista energético.

La obtención de agua dulce a partir del agua de mar suele requerir enormes cantidades de energía. El proceso más extendido para la desalinización se llama ósmosis inversa, que funciona haciendo fluir el agua de mar sobre una membrana a alta presión para eliminar los minerales.

Ahora, ingenieros de la Universidad de Purdue han desarrollado una variante del proceso denominada «ósmosis inversa discontinua«, que promete una mayor eficiencia energética, una mayor vida útil del equipo y la capacidad de procesar agua de una salinidad mucho mayor.

La ósmosis inversa se usa en muchos países; en lugares como Oriente Medio, más de la mitad del suministro de agua potable procede de instalaciones de desalinización. Pero para mantener el alto nivel de presión necesario para el proceso, hasta 70 veces la presión atmosférica, una planta de desalinización consume mucha energía.

Aproximadamente un tercio del coste de la vida útil de una planta desalinizadora es energía. Incluso pequeñas mejoras en el proceso -unos pocos puntos porcentuales de diferencia- pueden ahorrar cientos de millones de dólares y ayudar a mantener el CO₂ fuera de la atmósfera.

David Warsinger, profesor adjunto de ingeniería mecánica de Purdue.

Durante su trabajo de doctorado en el MIT, Warsinger desarrolló por primera vez la idea de la «ósmosis inversa por lotes«.

En lugar de mantener un flujo constante de agua de mar a esos altos niveles de presión, un proceso por lotes toma una cantidad determinada de agua a la vez; la procesa; la descarga; y luego repite el proceso con el siguiente lote.

Cada lote dura entre uno y dos minutos. Aumentamos la presión con el tiempo, reducimos el volumen con el tiempo y acabamos utilizando mucha menos energía para producir la misma cantidad de agua dulce.

David Warsinger.

Aunque algunas plantas desalinizadoras han intentado usar técnicas de semilotes, ninguna ha implantado nunca un sistema de lotes completos, en parte debido a las pausas entre lotes.

Se necesita tiempo y energía para bombear cada lote de agua, y luego bombear el siguiente lote de agua para su procesamiento. El gasto de ese tiempo y energía suele anular las ganancias de eficiencia que se obtendrían al usar el proceso por lotes. Por eso hemos desarrollado una solución llamada ‘ósmosis inversa de doble acción’.

David Warsinger.

Este nuevo proceso usa un tanque de pistón, un recipiente de alta presión con un pistón en el centro. Mientras un lado del pistón envía agua de mar al circuito de procesamiento, el otro lado del pistón se llena simultáneamente con el siguiente lote de agua de mar en la cola. Cuando el proceso de un lote finaliza, el pistón inyecta sin problemas el siguiente lote de agua de mar en el sistema mientras llena simultáneamente su otro lado con el siguiente lote de agua de mar en la cola, y el proceso se repite continuamente.

En lugar de vaciar completamente el pistón cada vez o utilizar algún otro líquido o gas para presurizarlo, lo llenamos con el siguiente lote de agua de mar. Así que, en lugar de que un lado del pistón sea esencialmente un espacio muerto, estamos utilizando el agua de mar misma para obtener una doble función de este pistón, por lo que casi no hay tiempo de inactividad.

Según nuestros modelos, este sistema propuesto ofrece el menor consumo de energía jamás visto para la desalinización de agua de mar. Es un hito en su clase.

David Warsinger.

El tiempo de inactividad es algo que realmente se quiere evitar. Si hay que reparar el sistema después de cada ciclo, se pierde toda la eficiencia energética. Reducir o eliminar ese tiempo de inactividad es la clave que hace viable la ósmosis inversa por lotes.

Sandra Córdoba, estudiante de máster en ingeniería mecánica de Purdue y primera autora del trabajo.

Córdoba también desarrolló los modelos hidráulicos teóricos usados en el trabajo.

La ósmosis inversa es un proceso complejo. Para medir su éxito, hay que seguir muchas variables: presión del agua, volumen, salinidad, ratio de recuperación, tiempo y energía. Con estos modelos, pudimos determinar la cantidad correcta de presión a lo largo del tiempo para conseguir los mejores resultados utilizando la mínima cantidad de energía.

Sandra Córdoba.

¿Qué tamaño tiene el tanque de pistón? Depende del tamaño del sistema.

La ósmosis inversa funciona en una amplia gama de escalas. Los hogares de la India suelen tener un micro sistema de ósmosis inversa para su propia casa. Para nuestros experimentos, hemos construido un sistema modelo en el que el tanque de pistón tiene el tamaño de un extintor. En una planta a gran escala, podría tener 30 metros de largo. Pero lo bueno es que no es un equipo complejo; es esencialmente una tubería, con un pistón hermético en el centro. Pero ese tanque de pistón lo cambia todo»

David Warsinger.

El laboratorio de Warsinger ha usado este desarrollo de lotes de doble acción para impulsar varios nuevos avances en desalinización.

Abhimanyu Das, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica de Purdue, ha publicado una investigación que describe una variante del proceso denominada «ósmosis inversa de contraflujo por lotes«.

Mediante la recirculación de determinadas concentraciones de agua a ambos lados de la membrana, el proceso de Das se muestra como el proceso de desalinización más eficiente desde el punto de vista energético para el agua de alta salinidad, al tiempo que requiere menos componentes.

Y el estudiante de máster de Purdue Michael Roggenburg ha publicado una investigación que demuestra que una combinación de ósmosis inversa por lotes y energía renovable podría suministrar agua dulce a toda la frontera de 1.954 millas entre Estados Unidos y México.

La seguridad del agua es un problema enorme en todo el mundo, al que he dedicado toda mi carrera. Estos resultados con la ósmosis inversa por lotes son realmente emocionantes. Si bajamos un poco el coste, la desalinización se convertirá en una opción viable para más lugares. Podría ser transformador.

David Warsinger.

Más información: www.sciencedirect.com

Vía www.purdue.edu