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RESUMENAunque el agua abunda en la corteza terrestre, el 97% formamares y ocanos cuya salinidad la hace inutilizable para laactividad humana. Del 3% restante, slo se puede aprove-char la parte no congelada, que comprende el 0,7% del total.La desalinizacin por smosis inversa es una solucin efi-caz para combatir la escasez de agua dulce, produciendo unagua potable de buena calidad a partir de agua de mar. Seemplea principalmente en zonas ridas, como Arabia Saud,y en determinadas islas en que hay deficiencia de ros. EnEspaa, la utilizacin de este sistema ha ido en aumento enlos ltimos aos. Sus principales inconvenientes son el granrequerimiento energtico y el vertido de salmuera al mar.Para acotar al mximo estos dos factores, se plantea comosolucin una planta de smosis inversa de pequea capaci-dad, limitada a la produccin de 500 m3 diarios de agua demar, prevista para resolver problemas de escasez de aguaen pequeos ncleos urbanos. Con un adecuado dimensio-nado de los equipos, ceidos a su capacidad, se consiguelimitar el gasto energtico y los efectos en el medio ambiente.

ABSTRACTAlthough water is abundant on the earths surface, 97% of itis in the form of seas and oceans, the saline nature of whichmakes it unusable for human activity. Of the remaining 3%,only that part which is not frozen is usable, this part accountsfor just 0.7% of the earth's total water reserves. Desalinationby reverse osmosis is an effective solution for overcoming a scarcity of fresh water supply, able to turn sea water intohigh quality drinking water. It is principally used in arid areassuch as Saudi Arabia, and on certain islands which lackrivers. In Spain, the use of this system has become morewidespread in recent years. The system's principal disadvan-tages are its high energy requirement, and discharge of brineinto the sea. To limit the impact of these two factors as muchas possible, a proposed solution is a low capacity reverseosmosis plant, limited to a daily capacity of 500 m3 of seawa-ter, intended to resolve problems of water scarcity in smallurban centres. With plants of a size scaled to this productioncapacity, a limitation of both energy consumption and envi-ronmental impact is achievable.

ORIGINAL

Reverse osmosis seawater desalination plant with a daily capacity of 500 m3

Palabras claveAgua, desalinizacin, smosis inversa, sostenibilidad

KeywordsWater, desalination, reverse osmosis, sustainability

Planta desalinizadora deagua de mar de 500 m3diarios de capacidad quefunciona mediante smosisinversaGerard Subirachs Snchez, Ramn Oliver Pujol y Francesc Estrany Coda

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El agua es esencial en la vida de los seresvivos y en un planeta en continuo des-arrollo su disponibilidad apta para elconsumo humano resulta cada vez mscomplicada. Una posible solucin paracombatir la escasez de agua dulce con-siste en aprovechar el agua de los maresy los ocanos mediante la tecnologaconocida como desalinizacin.

Situacin mundialEl 39% de la poblacin mundial vive a una distancia inferior a los 100 km delmar. Por esta razn, la desalacin se haconvertido en una alternativa para elabastecimiento de agua en las islas yzonas costeras con elevada demanda y recursos escasos. En el ao 2009, lacapacidad de desalacin del planeta fue,aproximadamente, de 52.000.000 m3/day los cinco pases que ms apostaronpor este tipo de tecnologa son los quese indican en la figura 1.

Por lo que respecta al mercado inter-nacional, los estudios realizados por laGlobal Water Intelligence sealan queen el periodo 2005-2015, las inversio-nes para construir nuevas plantas dedesalacin ascendern a los 30.529 millo-nes de dlares, con un coste de opera-cin que se prev que ser de unos 3.416millones de dlares. Por otro lado, el

70% de las instalaciones utilizarn aguade mar como materia primera.

Situacin actual en EspaaLa produccin de agua desalada enEspaa ha crecido mucho en los lti-mos aos, tal como se puede observaren la figura 2. Este incremento se debe,principalmente, a la impulsin en elao 2004 del programa Actuacionespara la Gestin y Utilizacin del Agua(AGUA). Esta iniciativa tiene comouno de los objetivos prioritarios incre-mentar la oferta de recursos hdricosobtenidos de manera sostenible. Poreso, en los ltimos cinco aos, la cons-truccin de nuevas desalinizadoras seha disparado de forma notable.

Tecnologas de desalinizacinLas tecnologas de desalinizacin sonmuy variadas, pero en trminos genera-les se pueden clasificar en tres tipos:

Tcnicas basadas en la evaporacin. Tcnicas de separacin de las sales

mediante membranas semipermeables. Otras tcnicas.

Tcnicas basadas en la evaporacinLas tcnicas basadas en la evaporacinsiguen dos procedimientos diferentespara desalar el agua de mar: por accin

de los procesos trmicos o de los pro-cesos por compresin. La diferenciaentre ambos es que en el primero sesuministra la energa necesaria en formade calor, mientras que en el segundocaso, la fuente de energa es el trabajo.

Las tecnologas ms ampliamenteutilizadas en el mercado actual son ladestilacin sbita multietapa (MSF) y la destilacin multiefecto (ME) parael caso de la evaporacin por procesostrmicos y la compresin de vapor (CV)cuando el proceso de evaporacin espor compresin.

Tcnicas en que intervienen membranas Las tcnicas en que intervienen mem-branas para la desalinizacin del aguade mar pueden ser de diferentes tipos,en funcin de la fuerza impulsora quese utilice para hacer pasar las partculasque hay que separar a travs de la mem-brana semipermeable.

As, si la fuerza motriz es una diferen-cia de potencial qumico; la tcnica seconoce como dilisis; si el impulso lo dauna corriente elctrica, la separacin departculas se har por electrodilisis, y sila responsable de la separacin es unadiferencia de presin, la tcnica utilizadaser la microfiltracin, ultrafiltracin,nanofiltracin u smosis inversa.

Foto: Pictelia

La planta que se describe en este art-culo utiliza la tecnologa de desaliniza-cin por smosis inversa, ya que las cen-trales que se basan en el uso de esta tcnicason mucho ms eficientes en produccio-nes de agua desalada baja. En cambio, lastecnologas de evaporacin utilizan canti-dades de energa mucho ms elevadas y slo son rentables si producen cantida-des de agua desalinizada muy grandes.

Otras tcnicas Existe gran variedad de tcnicas que tam-bin pueden separar la sal del agua, peromuchas de ellas estn en fase experimen-tal y no se utilizan en el mbito comer-cial. Entre las ms destacadas figuran:

La congelacin. La evaporacin solar. La destilacin con membranas.

Consideraciones medioambientales Uno de los principales inconvenientesde la desalacin es el efecto negativoque tiene sobre el medio ambiente. Enel proceso de extraccin de sales del

agua de mar, bsicamente son dos losfactores que tienen un impacto ambien-tal negativo sobre el entorno en el quese encuentran las centrales: un uso inten-sivo de la energa y el vertido de canti-dades importantes de salmuera y otrosproductos qumicos.

Tambin existen otros factores quepueden afectar negativamente al medioambiente, como pueden ser la contamina-cin acstica y el impacto visual que suponeuna construccin de estas caractersticas.

Utilizacin intensiva de energaLa energa elctrica necesaria para hacerfuncionar una planta desalinizadora deagua de mar es muy elevada. La granmayora se genera en centrales trmicasque producen una gran cantidad de con-taminantes atmosfricos y, en especial,gases de efecto invernadero como el CO2.

A la hora de determinar la cantidad dedixido de carbono total que se produceen una planta desalinizadora durante unao entero, hace falta tener en cuenta elcriterio establecido por el Ministerio de

Medio Ambiente y Medio Rural y Marino,en el que se admite que la energa elc-trica de una central trmica emite comovalor medio 0,402 kg CO2/kWh.

Conociendo que la planta desalini-zadora que nos ocupa tiene un flujo deagua producto de 500 m3/da y que,segn los datos de diseo, (vase elapartado Diseo de la planta), la ener-ga necesaria para desalar un metrocbico de agua es de 4,77 kWh/m3. Lacantidad total de CO2 que se genera enla planta durante un ao viene dada porla siguiente ecuacin:

Cabe decir que en los ltimos aoslas centrales desalinizadoras que fun-cionan mediante la tecnologa de lasmosis inversa son cada vez ms efi-cientes gracias, en gran parte, a la puestaen marcha de tres medidas de ahorrode energa:

La optimizacin del proceso dedesalacin. Para ello, se utilizan nuevosequipos como bombas de presin mseficientes o sistemas de pretratamientocomo la radiacin ultravioleta o la ultra-filtracin.

La utilizacin de recuperadoresde energa como los intercambiadoresde presin y las turbinas Pelton, quepermiten recuperar gran parte de laenerga necesaria para el sistema debombeo de alta presin.

El aprovechamiento de energasde origen renovable, como la energasolar o mareomotriz.

Vertido de salmuera y otros productosqumicos La salmuera es el residuo que se generaen las desalinizadoras. Se caracteriza portener una concentracin de sales muyelevada (en torno a las 70.000 ppm), porsalir a altas temperaturas y por afectarnegativamente algunas especies marinas.

Los organismos marinos ms sensi-bles al vertido de la salmuera son lasfanergamas marinas, concretamente laespecie llamada Posidonia ocenica.Las praderas de este tipo de algas sonsistemas estructuralmente complejosque tienen un papel muy importante enla retencin de sedimentos, en la pro-teccin de la lnea de la costa, en lacapacidad de almacenar nutrientes y enel control de los ciclos biogeoqumicosdel litoral. Estas especies vegetales seven afectadas por un incremento desalinidad que se traduce en una varia-

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Figura 1. Clasificacin de los principales pases productores de agua desalada del planeta.

Figura 2. Evolucin de la desalinizacin en Espaa.

cin de nitrgeno y carbono, as comouna disminucin de la fotosntesis.

Una posible solucin para disminuirel impacto de la salmuera sobre el medioes diluir el residuo mediante un difusorque lo expulsa a una determinada presinsiguiendo una trayectoria parablica. Lasalmuera se vierte en el mar, ya que no sepuede reutilizar a causa de su alto conte-nido en productos qumicos provenientesde las etapas de pretratamiento, postrata-miento y limpieza de membranas. Entrelas sustancias qumicas que se encuentranen el residuo figuran aditivos como flocu-lantes, antiincrustantes, acidificantes,anticorrosivos y biocidas.

Diseo de la plantaA continuacin, se describe el procesode diseo de una planta desalinizadoracapaz de extraer las sales de 500 m3 dia-rios de agua de mar. Esta produccin esmuy inferior a la de mayora de centra-les que se instalan en nuestro pas. Elobjetivo de esta planta no es abastecergrandes poblaciones, sino que lo que sepersigue es construir una central queresuelva los problemas de escasez deagua en pequeos ncleos urbanos de,aproximadamente, 1.400 habitantes.

Datos iniciales de la planta Caudal de permeado: 500 m3/da. Conversin de la planta: 43%. Tipos de membranas: FYLMTEC

SW30HR-380 (espiral de la casa DowChemical).

Nmero de bastidores de smosisinversa: 1.

Nmero de etapas: 1. Nmero de membranas: 30. Numero de mdulos: 5.

Anlisis inicial del agua de mar Temperatura: 19 C. Slidos totales disueltos en el agua

de mar: 36.580 mg/l (tabla 1).

Datos despus de utilizar el programade simulacinLos datos que se exponen en la tabla 2se han obtenido mediante un programainformtico diseado por Dow Chemi-cal, conocido como ROSA (ReverseOsmosis System Analysis). Esta aplica-cin permite hacer una simulacin delproceso de desalacin a partir de losdatos iniciales, indicados anteriormente.

ndice de Stiff & Davis: -2,705. Flujo de permeado: 19,67 lmh. rea activa total: 1.059,06 m2. Potencia: 99,45 kW. Energa: 4,77 kWh/m3.

Dosis de cido necesaria: 70,36 mg/l.

Descripcin de la instalacin

Captacin del agua de marLa captacin de agua se realiza mediantepozos aislados que tendrn una profun-didad aproximada de 50 m.

La extraccin del lquido se hacemediante dos bombas de captacin ver-ticales que son ms eficaces y fciles demantener que las bombas sumergibles.Estas operan a 3.000 rpm y succionanuna media de 24 m3/h. Seguidamente,el agua de mar que se capta en los pozos,es transportada en un depsito de 50.000litros de capacidad donde tiene lugar elpretratamiento qumico.

Pretratamiento qumicoEl pretratamiento qumico que se sigueen un proceso de desalinizacin de aguade mar sigue diferentes etapas (figura 3).

Acidificacin

La acidificacin es necesaria para reducirel pH y as no causar incrustaciones enlas membranas de smosis inversa ni enotras partes de la instalacin. En esteproceso se aadir, a razn de 71,79 mg/l,una disolucin de cido sulfrico del98% en peso y de densidad de 1,84 kg/l.

Desinfeccin

Para que en la instalacin no proliferenmicroorganismos nocivos, se aade unadosis de 5,2 mg/l de hipoclorito desodio (NaClO) del 16% en peso queacta como sustancia desinfectante.

Coagulacin

Antes de que el agua de mar pase a tra-vs de los filtros de arena y cartuchos,se aaden 3 mg/l de Al2(SO4)3x18 H2O.De este modo, se eliminan las partcu-las en suspensin presentes, formn-dose microflculos que sedimentaranpor su propio peso.

Antiincrustacin

Las sustancias antiincrustantes como elhexametafosfato de sodio (HMP) evi-tan que se formen incrustaciones quepuedan afectar a la instalacin. En elcaso estudiado, se aadirn 2,5 mg/l.

Decloracin

El cloro residual resultante de la etapade desinfeccin hace falta eliminarlo,pues, de lo contrario, existe riesgo deque las membranas de smosis inversase oxiden. Por eso, se aaden 0,73 mg/lde bisulfito de sodio (NaHSO3).

Pretratamiento fsico El pretratamiento fsico se basa en lautilizacin de dos tipos de filtros:

a) Filtros de arena. En total se dis-pondr de un total de tres filtros de arena.Cada uno de ellos tendr una capacidadde 5.000 litros y estar formado por unlecho filtrante de tres capas. Una pri-mera ser de antracita de una granulo-metra de entre 0,8 y 2,5 mm; una segundade arena silcea de porosidad aproxi-mada que oscila entre los 0,4 y los 0,8mm y, finalmente, una capa de granatede granulometra inferior a 0,4 mm.

b) Filtros de cartucho. Los filtros decartucho (figura 4) separan partculas detamaos superiores a las 5 micras. En totalse dispondr, de un total de 100 filtros decartucho agrupados todos ellos en serie.

Proceso de smosis inversaUna vez que el agua ha pasado por lasetapas de pretratamiento qumico y fsico,se almacena en un depsito de 50.000litros capaz de abastecer de forma conti-nuada una bomba de triple pistn quesuministra un caudal de 48,45 m3/h albastidor de smosis inversa, que est

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Tabla 2. Datos de diseo de la planta.

Tabla 1. Slidos disueltos en el agua de mar.

Potasio 383Sodio 10.940Magnesio 1.360Calcio 400Bicarbonato 98Cloruro 20.566Sulfato 2.823Slice 0,1Fluoruro 0,14

In Concentracin (mg/l)

Caudal (m3/da) 1.162,8 500 662,8

Slidos disueltos totales (mg/l) 36.580 120,8 65.018,2

pH 8 4,6 5,8

Presin (bares) 66,15 1,64 64,51

Alimentacin Permeado Rechazo

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formado por una batera de cinco mdu-los de seis membranas cada uno. La con-versin global del sistema es del 43%.

Una parte de la energa necesariapara hacer funcionar la bomba de altapresin es suministrada por una turbinade recuperacin de energa, conocidacomo Pelton (figura 5). Esta aprovechala alta presin a la que sale la salmuerapara mover una rueda con alabes quesuministra energa de soporte para hacerfuncionar la bomba de alta presin.

PostratamientoEn la etapa de postratamiento se acon-diciona el agua para que sea apta para

el consumo humano. Los tratamientosque se aplican al proceso de desalacinson los siguientes:

Aireacin

El permeado que sale de los mdulosde smosis inversa tiene un contenidoen dixido de carbono disuelto muyelevado. Esto hace que se formen incrus-taciones en las tuberas de transportedel agua y que el pH del fluido sereduzca. Para evitar estos contratiem-pos, se hace pasar el agua a travs deuna torre de aireacin en la que se poneen contacto a contracorriente el fluidocon el aire; de este modo, el agua seenriquece en oxgeno y se empobreceen CO2.

Alcalinizacin

El agua que sale de la torre de aireacintiene un pH de 4,84 que hace faltaaumentar hasta valores prximos a 7,2para que sea apta para el consumohumano.

La sustancia alcalinizante que se uti-liza es una disolucin de NaOH del 1%en peso. La dosis necesaria se ha esti-mado que ser de 0,576 mg NaOH/l.

Desinfeccin

Durante el proceso de desalinizacin elagua ha vuelto a aumentar la presenciade microorganismos, de manera quehace falta volver a desinfectar el aguaantes de que sea consumida por losseres vivos. La sustancia utilizada es, aligual que en el pretratamiento, hipo-clorito de sodio del 16% en peso y ladosis necesaria para eliminar pequeosorganismos, de 2 mg NaClO/l.

Pasivacin

Una vez que se ha potabilizado el agua,puede suceder que durante la distribu-cin, el fluido vuelva a contener agen-tes corrosivos que afecten negativa-mente a las tuberas. Para evitar esteproblema, se aadir una sustancia inhi-bidora de la corrosin como puede serel polifosfato slido a base de fosfato dezinc (Kemazur 12.07).

Limpieza de filtros y membranasLa limpieza es un aspecto fundamentalen el proceso de desalacin. Por un lado,se dispone de un sistema de limpieza delos filtros de arena que se basa en un con-junto de bombas y compresores que impul-sarn 60 m3/h de agua a contracorriente.

Por otro lado, se aplica un sistema delimpieza qumico de las membranas.Este esta basado en la dosificacin deuna mezcla de dioctilsulfosuccionatosdico, cido ctrico y agua desalada queproviene del depsito de almacenamientode agua potable y que ayuda a mantenerlas caractersticas de las membranas.

Equipos utilizados en la plantaLos equipos utilizados en la planta des-alinizadora se podrn dividir en dosgrupos: los que son necesarios para quese d el proceso de desalacin y los quecontrolan que este proceso se desarro-lle correctamente.

Equipos de proceso y transporte de fluidosa) Depsitos: elaborados a base de polie-tileno de alta densidad o acero inoxida-ble en funcin de si almacenan agua oun producto qumico.

Depsitos de agua. Depsitos de productos qumicos.b) Bombas: son de cuatro tipos dife-

rentes. Bombas de captacin. Bomba de alta presin. Bombas dosificadoras. Bombas de impulsin.c) Filtros: se requiere la utilizacin

de dos tipos de filtros.

Figura 3. Diagrama de flujo de la planta desalinizadora.

Figura 4. Fotografa de un filtro de cartucho.

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Filtros de arena. Filtros de cartucho.d) Otros equipos: Torre de aireacin. Turbina de recuperacin de energa. Ventilador. Mezclador.

Instrumentacin y control del procesoLos aparatos que controlan que el pro-ceso de desalacin se efecte correcta-mente son:

a) Medidores de nivel.b) Medidores de presin:

Manmetros de esfera. Manmetros transmisores de

esfera. Persostatos.

c) Medidores de temperatura.d) Medidores de caudal:

Transmisores de caudal por pre-sin diferencial.

Transmisores indicadores decaudal.

Rotmetros.e) Medidores de parmetros fisico-

qumicos: Transmisores de pH.

Transmisores de potencial redox. Transmisores de conductividad. Transmisores de turbidez.

f) Vlvulas de control: Vlvulas automticas. Vlvulas automticas de segu-

ridad. Vlvulas de retencin.

BibliografaFarias Iglesias M. Osmosis inversa: fundamentos,

tecnologas y aplicaciones. Ed. McGraw Hill (1999).Medina San Juan JA. Desalacin de aguas salobres y

de mar: osmosis inversa. Ed. Mundi-Prensa (2000).Veza JM. Introduccin a la desalacin de aguas. Publi-

caciones Universidad de las Palmas (2002).

Gerard Subirachs SnchezIngeniero tcnico industrial por la Escuela Universitariade Ingeniera Tcnica Industrial de Barcelona (UPC).

Ramn Oliver Pujolramon.oliver@upc.eduDoctor en Ciencias Qumicas. Catedrtico de la sec-cin del Departamento de Ingeniera Qumica de laEscuela Universitaria de Ingeniera Tcnica Industrialde Barcelona (UPC).

Francesc Estrany CodaDoctor en Qumica. Profesor contratado y doctor de laseccin del Departamento de Ingeniera Qumica de laEscuela Universitaria de Ingeniera Tcnica Industrialde Barcelona (UPC).

Figura 5. Esquema de funcionamiento interno de una turbina Pelton.