ANTECEDENTES La desalación de agua de mar para transformar agua salada en agua dulce ha tendido una evolución enorme en los últimos 50 años, de manera que la tecnología predominante en cada época ha ido variando hasta llegar a nuestros días, en los cuales la desalación mediante membranas de ósmosis inversa es, claramente, la principal técnica utilizada. Las previsiones a futuro indican que la desalación de agua de mar seguirá creciendo, más aún cuando estudios como los publicados durante este año por la Universidad de California, Irvine (UCI) y la NASA, basados en medidas por satélite y en datos de acuíferos estudiados entre 2003 y 2013, indican que un tercio de las aguas subterráneas de la Tierra se están agotando rápidamente por el consumo humano. El cambio climático y el crecimiento de la población, previsiblemente, reducirán más aún estas reservas . industriales, si se compara la desalación de agua de mar con procesos convencionales de tratamiento de agua superficial o subterránea no salada, una de las principales diferencias está en el consumo energético específico, es decir, los Kwh necesarios por cada metro cúbico de agua tratada. En este sentido, y con la calidad que exige la Normativa actual, el consumo energético de una desaladora es muy superior al consumo de una Estación de Tratamiento de Aguas Potables (ETAP) convencional. El consumo de estas últimas depende de diferentes factores como la línea de tratamiento utilizada, la localización de las mismas con la consiguiente necesidad o no de bombeos, y del tamaño de la instalación, pero de modo general se puede decir que el consumo energético de las ETAPs convencionales está entre 0,1 y 1Kwh/m3. El consumo energético representa el mayor coste de operación de una desaladora, con un valor alrededor del 70% del total de los costes variables de explotación, y dado que este consumo es elevado en comparación con las ETAPs convencionales, los esfuerzos investigadores se han centrado durante las últimas décadas en la reducción del mismo. En principio, fue el paso de las tecnologías térmicas hacia la ósmosis inversa y posteriormente, hasta nuestros días, la optimización del consumo de la OI. La evolución ha sido espectacular pasando de valores entre 20 y 25 kwh/m3 en 1970 a valores entre 4 y 5 kwh/m3 en 2005. Desde 2005, el consumo energético ha seguido reduciéndose hasta valores por debajo de 3 kwh/m3. Hoy en día, a la hora de analizar este valor no es sencillo hacer comparaciones debido a que depende de muchos factores, como son, la calidad del agua del mar, la salinidad, la temperatura, la edad de las membranas de ósmosis inversa, la calidad del agua tratada o la existencia de bombeos importantes exteriores a la desaladora; por esta razón, es normal encontrar estudios en los cuales en vez de indicar un consumo energético se habla de un rango de valores. Datos publicados en 2012 sobre 7 de las mayores desaladoras en España, muestran consumos entre 3,52 y 4,30 Kwh/m3, artículos posteriores a nivel mundial indican valores entre 4 y 6 Kwh/m3 para una planta de tamaño medio, valores entre 3 y 4 Kwh/m3 hasta valores de 2,5 Kwh/m3.
La conversión de un proceso de desalación es una medida del aprovechamiento del agua de mar para obtener agua dulce, es decir, una conversión del 45% quiere decir que por cada 100 litros de agua de mar que se tratan, se obtienen 45 litros de agua dulce y el resto, 55 litros, son el denominado rechazo que no se utiliza. Si se analiza la conversión de las desaladoras existentes en el mundo, antes de 1980 se obtienen valores entre 30% y 40% y posteriormente a esa fecha, los valores se han mantenido en la mayoría de las instalaciones entre el 40% y el 50%, sin apreciarse ninguna evolución en esa tendencia con el paso de los años. Dentro de los procesos de desalación por ósmosis inversa es importante distinguir entre agua salobre y agua de mar. El primer tipo hace referencia a aguas de salinidad baja, con valores inferiores a 15.000 mg/l, con las cuales es habitual encontrar procesos con conversiones muy elevadas. Esta Tesis está basada en un proceso con agua de mar, la cual tiene valores de salinidad muy superiores, que varían de una zona a otra del planeta, pero con un valor medio de 35.000 mg/l . FUNDAMENTO TEORICO En este capítulo, se presentan los fundamentos de la desalación de agua de mar mediante un recorrido a través del tiempo y del espacio. En la primera parte se analizan las características del agua de mar, las cuales representan el punto de partida para realizar el diseño del proceso. El agua en el mundo Se estima que las dos terceras partes del planeta están cubiertas por agua. Sin embargo no toda esta agua es apta para el consumo humano y no toda la población del mundo tiene las mismas posibilidades de acceso a este recurso vital. El 97.5% del agua de encuentra en mares y océanos en forma salada, lo que la hace a priori inútil para la alimentación, la agricultura y la mayor parte de los usos industriales. El 2.5% del agua restante es dulce, pero casi toda ella está en los hielos de los polos o glaciares, en depósitos subterráneos o en otros lugares de difícil utilización. Por todo esto, sólo un 0.26% de la masa total de agua del planeta es fácilmente aprovechable para los usos humanos. Por otro lado, esta pequeña proporción de agua está sufriendo un acelerado proceso de pérdida de calidad y cantidad. Por ejemplo, más de la mitad de los principales ríos del planeta están gravemente agotados y contaminados, por lo que degradan y contaminan los ecosistemas y amenazan la salud y el sustento de la personas que dependen de ellos. Así mismo, en las zonas en las que existe un fácil acceso a este recurso se realiza un consumo excesivo y poco racional. La falta de recursos se incrementará con el paso del tiempo. Actualmente 1.200 millones de personas viven en países que padecen escasez de agua. En el año 2.025, cuando la población haya crecido en unos 3.000 millones de habitante, se estima que esta cifra puede llegar a 3.400 millones, más de la mitad de la población mundial actual. Zonas especialmente vulnerables serán Oriente
Medio, África y sur y oeste de Asia, donde se deberá hacer frente a sequías mortales y lluvias torrenciales cada vez con mayor asiduidad debido al cambio climático. Naciones Unidas señala que los efectos de éste sobre el ciclo de agua en la Tierra hacen que el futuro de agua potable sea más precario que nunca. Los condicionantes del proceso son los siguientes: -Deber ser válido para salinidades de agua de mar entre 30.000 y 40.000 mg/l y temperaturas entre 10º y 30ºC - Debe de trabajar con membranas estándar en lo que se refiere a tamaño y presión máxima de trabajo, sin sobrepasar dicho valor de presión máxima admitida por las mismas. - La calidad del agua a la salida del proceso debe tener unos valores inferiores a los máximos permitidos por las normativas de agua para consumo humano Nacional y Europea, así como las recomendaciones de la Organización Mundial de la Salud.
La desalación en el mundo y en España Todas las limitaciones recogidas en el punto anterior en torno las reservas disponibles de agua apta para el consumo humano han obligado a tomar en consideración la posibilidad de tratar aguas salobres y marinas para su adecuación a distintos usos como abastecimiento a la población, riego o industria. Así, actualmente existe un creciente interés en la realización de programas de investigación y desarrollo relativos a los distintos métodos de desalinización. Históricamente el mayor mercado de estas tecnologías ha sido el de las plantas de agua salobre en Estados Unidos, que ha ido creciendo relativamente despacio, y el de las plantas de agua de mar en el Golfo Pérsico, mercado que ha ido aumentando con el precio del petróleo y que ha impulsado el desarrollo global del mismo junto con otros programas de desalación significativos en países como Argelia, Australia y España. En los últimos 100 años se han desarrollado técnica y comercialmente diferentes tecnologías de desalación de agua de mar. Los avances tecnológicos han provocado que el proceso predominante varíe a lo largo del tiempo. Hoy en día, el proceso de ósmosis inversa es claramente el más utilizado y su tendencia es la aumentar dicho predominio Mientras que en estos países dichos programas parecen haber alcanzado su punto máximo, nuevos mercados se están iniciando en China, India, América Latina y Sudáfrica. El desarrollo de estos junto con el incremento de producción de los ya establecidos asegura un crecimiento continuo en los próximos años. Según el informe anual de la Asociación Internacional de Desalación (IDA en sus
siglas en inglés) 2.011-2.012 la capacidad total alcanzará 119.2 millones de metros cúbicos al día al final del año 2.016. En el caso de España la primera planta desaladora de Europa se construyó hace casi 40 años y es el mayor usuario de tecnologías de desalinización del mundo occidental. La innovación española contribuye a promover la desalinización como una fuente sostenible se suministro de agua potable para millones de personas. La tendencia futura en España será la de seguir instalando unidades de ósmosis inversa en plantas grandes, mejorándose lo sistemas de recuperación de energía mediante dispositivos de intercambio de presión que permiten reducir su consumo específico. Además se tiende a mejorar el pretratamiento del agua bruta lo que permite abaratar los costes de explotación. TECNOLOGIAS Y SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUA Las tecnologías de desalación son numerosas y están basadas en diferentes técnicas que se pueden dividir en dos grupos: procesos en los cuales el agua no cambia de estado durante el tratamiento y procesos en los cuales el agua tiene un cambio de estado, ya sea pasando por una fase gaseosa o por una fase sólida Procesos con cambio de estado durante el tratamiento Pasando por una fase gaseosa Procedimiento por compresión de gases Procedimiento térmico multi-efecto (MED) Procedimiento térmico multi-etapa (MSF) Pasando por una fase sólida Congelación Procesos sin cambio de estado durante el tratamiento: Procesos con membranas Electrodiálisis Osmosis inversa
Desalación El proceso de desalación de agua de mar consiste en separar agua con alto contenido en sales en dos flujos distintos; por un lado, un flujo con baja concentración de sales disueltas, denominado permeado o agua producto, y otro, conteniendo el resto de las sales disueltas, llamado concentrado, salmuera o rechazo.
Para realizar este proceso es necesario un aporte de energía, siendo las principales fuentes, la energía mecánica, térmica o eléctrica.
OSMOSIS INVERSA La Ósmosis Inversa es una tecnología basada en una membrana semipermeable que separa dos soluciones con distinta concentración en la cual, al aplicar una presión superior a la presión osmótica en el lado de mayor concentración se produce un flujo de agua que va desde la solución con mayor salinidad (agua de mar) hasta otra de menor salinidad (agua dulce) Concepto. Antes de describir el funcionamiento de un proceso de ósmosis inversa, es necesario entender el proceso de difusión entre dos soluciones con distinta concentración que se encuentran en un mismo recipiente, y el proceso de difusión de dos soluciones con distinta concentración a través de una membrana semipermeable. Si se ponen en contacto dos soluciones con diferente concentración en un mismo recipiente donde la concentración de la solución 2 es mayor que la de la solución 1, se producirá una difusión de sales de la solución 2 a la solución 1, así como un movimiento de agua en sentido contrario, de manera que se tiende a igualar la concentración de ambas soluciones. Si se coloca una membrana semipermeable entre las dos soluciones con diferente concentración, de manera que dicha membrana permita el paso de agua pero no permita el paso de sales, lo que ocurrirá será que el agua se difundirá de la solución menos concentrada a la más concentrada, pero no ocurrirá la difusión de las sales de la zona 2 a la zona 1 debido a dicha membrana. Esto provocará que el nivel de la zona 2 aumente hasta que la presión que ejerza la columna de agua se iguale a la presión que tiende a difundir el agua de la zona 1 a la zona 2. A este fenómeno se le denomina Ósmosis. Si la concentración de la solución 1 fuese cero (agua pura), la diferencia de alturas entre los dos recipientes se denomina presión osmótica de la solución 2. En caso de no tener agua pura, la diferencia de altura sería la diferencia de presiones osmóticas de ambas soluciones. En el caso de la desalación de agua de mar, el origen del agua es una solución con una concentración de sales muy alta y se pretende separar el agua de las sales, con lo cual interesa invertir el proceso de la figura 2.23. Esto se consigue aplicando en el recipiente 2 una presión superior a la diferencia de presiones osmóticas de ambas soluciones a este fenómeno se le denomina Osmosis Inversaa este fenómeno se le denomina Osmosis Inversa De esta manera, la zona 1 representa la zona de agua tratada la cual tiene una salinidad muy baja y la zona 2 representa la zona de alta concentración, también denominada rechazo o salmuera.
En 1885, Van´t Hoff publicó la relación existente entre la presión osmótica y la concentración de soluto de una disolución:
