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Alternativa Hdrica Plantas Desalinizadoras

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Desalinizacin del agua marina

Ruben Ramirez Ortega [email protected]

Facultad de Ingeniera Civil Universidad Nacional de Ingeniera

RESUMEN: El desarrollo de las ciudades y de la vida de sus habitantes est sujeto a condiciones que la hagan posible. Una de estas condiciones es la disponibilidad de agua potable que satisfaga las necesidades humanas. Sin embargo, el crecimiento vegetativo y el cambio climtico han creado un panorama en el que las fuentes de agua ya no cubren las necesidades de muchas ciudades alrededor del mundo y esta realidad se expande ao tras ao, por ello de los ms graves problemas que se avecina en el siglo XXI es la escasez de agua, entendiendo por ello un agua en cantidad y calidad apta para el consumo humano. La transferencia de volmenes de las zonas con excedentes hdricos a las zonas deficitarias es una solucin contemplada en numerosas ocasiones, pero no es la ideal a adoptar ya que la tendencia climtica actual, de constantes y bruscas variaciones en cuanto al rgimen de precipitaciones, no permite asegurar las transferencias provenientes de la cuenca cedente. Desalar es eliminar o reducir las sales contenidas en el agua, pero este proceso que a la fecha de hoy nos parece tan sencillo ha evolucionado sustancialmente en las tres ltimas dcadas. La desalacin se vena practicando en Oriente Medio a unos costes elevadsimos, porque era la nica forma de suministrar agua a la poblacin de aquellas ridas tierras, y las tecnologas utilizadas consistan en evaporar el agua con sales para luego recoger los vapores desprendidos y condensarlos. Pero producir ese vapor era caro y se empez a asociar la desalacin con la produccin de energa elctrica, que tambin se necesitaba en importantes cantidades en aquellos pases.

PALABRAS CLAVE: Desalinizacin de agua de mar, smosis Inversa, Electrodilisis, Evaporacin Multi-etapas Flash

(MSF).

Seawater Desalination

ABSTRACT The development of cities and the lives of its inhabitants is subject to conditions that make this possible. One such condition is the availability of potable water that meets human needs. However, vegetative growth and climate change have created a scenario in which water sources no longer meet the needs of many cities around the world and this year actually expands after year, so the most serious problems it looming in the XXI century is water scarcity, therefore an understanding water quantity and quality fit for human consumption. The transfer volumes from areas with surplus water to deficit areas is a solution provided on numerous occasions, but it is not ideal to take as the current climate trend, constant and abrupt variations in the rainfall does not allow ensure transfers from the donor basin. Desalting is to eliminate or reduce the salts contained in the water, but this process to date today seems so simple has evolved substantially over the past three decades. Desalination been practiced in the Middle East about high costs, because it was the only way of supplying water to the population of those arid lands, and the technologies used were to evaporate the water with salt and then collect and condense vapors given off. But producing steam that was expensive and became associated with desalination electricity production, which is also needed in large quantities in those countries.

Key words: Seawater desalinization, Inverse Osmosis, Electrodialysis, Multi-Stages Flash Evaporation (MSF).


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1 INTRODUCCION

Las reservas de agua en el planeta son inmensas, estimaciones actualizadas calculan que la hidrosfera contiene cerca de 1.386 millones de km3, sin embargo los ocanos que representan una gran reserva de este agua, cubriendo las tres cuartas partes de la superficie terrestre y el 97.5% del total, tienen una salinidad media de ms de un 3% en peso, hacindola inservible para cualquier tipo de uso (agrcola, industrial o humano). El resto es agua dulce, pero el 68.9% est en forma permanente como hielo y nieve que cubren las regiones polares y montaosas (y por lo tanto de uso imposible). Del resto de agua dulce disponible, el 29.9% son aguas subterrneas y tan slo el 0.3% se encuentra en lagos, reservorios y sistemas de los ros, estn en consideracin de ser utilizables sin limitaciones tcnicas ni econmicas.

Fig. 1. Recursos globales de la Tierra Fuente: Shiklomanov (1999)

El ciclo hidrolgico terrestre (evaporacin-

formacin de nubes-precipitacin-escorrenta) es el responsable de la existencia de los recursos hdricos renovables mencionados anteriormente (el perodo de renovacin de los hielos polares es de 10.000 aos y de 17 para los acuferos y glaciares, cuando stos se extraen a una velocidad superior a la recarga la diferencia se considera recurso hdrico no renovable). El valor medio de los recursos hdricos renovables mundiales se calcula en 42.750 km3 por ao, pero este valor es muy variable con el espacio y el tiempo.

Agua marina: su salinidad promedio es de 35000 ppm, pudiendo llegar a 42000 ppm en mares clidos. En mares interiores puede ser casi una salmuera como el del mar de Tiberiades, o bien quedar muy reducida como en el en mar Bltico cuyo rango se encuentra entre 5000 ppm y 75000 ppm. Y a su vez el Mar de Cortez cuenta con una salinidad de 345000 ppm.

Aguas subterrneas salobres o saldadas: En muchos lugares costeros o interiores existen aguas

subterrneas, salobres o saladas, que son factibles de utilizar si se les disminuye el nivel de sal. La salinidad de estas aguas puede variar entre 2000 ppm hasta valores superiores a la del agua de mar. Para su aprovechamiento es preciso asegurar que existen reservas suficientes y que su composicin va a variar poco en el transcurso de la explotacin

Aguas salinizadas por el uso: Son las aguas excedentes de riego o residuales domsticas o industriales ya depuradas, en las que se debe eliminar parte de las sales disueltas para poder ser reutilizadas. Su salinidad puede variar entre 1000 y 2000 ppm. Las aguas residuales de procesos industriales no son en general interesantes. La mayor parte de las plantas desalinizadoras construidas trabajan con el agua del mar, es por ello que existe ms experiencia en cuanto a proyecto, control de la corrosin, y de las incrustaciones y los taponamientos.

Actualmente el agua desalada se utiliza para consumo y en procesos industriales, no as para riego agrcola, pues los costos de desalar agua son relativamente altos para usar este lquido con los mtodos tradicionales de riego, resulta ms econmico importar los productos agrcolas de aquellos pases que cuentan con las condiciones climatolgicas adecuadas para producirlas. Sin embargo a nivel de invernadero con productos altamente rentables, si se utiliza agua desalada.

Fig. 2. Ciclo hidrolgico del agua en la Tierra Fuente: Shiklomanov (1999)

Cindonos a la variabilidad espacial de dichos recursos, la tabla 1.1 muestra la distribucin por continentes y de algunos pases como dato significativo de dicha irregular distribucin en el planeta.


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Tabla 1.1

De acuerdo a informes de la Organizacin de las

Naciones Unidas para la Educacin la Ciencia y la Cultura (UNESCO), 1,800 millones de personas habitarn en pases o regiones con escasez absoluta de agua, y dos tercios de la poblacin mundial podran vivir en condiciones de tensin hdrica para el ao 2025. Ante estas proyecciones pases y entidades privadas se encuentran investigando tecnologas para la obtencin de agua potable a partir de agua de mar mediante un proceso llamado desalinizacin, con el que se consigue reducir la presencia de slidos disueltos en el agua de mar, entre los que se encuentra la sal. Las sales disueltas en los mares del mundo fluctan entre 25,000 partes por milln (ppm) y 45,000 ppm; cifras que se reducen a menos de 1,000 ppm mediante la desalinizacin.

El desarrollo de las ciudades y de la vida de sus

habitantes est sujeto a condiciones que la hagan posible. Una de estas condiciones es la disponibilidad de agua potable que satisfaga las necesidades humanas. Sin embargo, el crecimiento vegetativo y el cambio climtico han creado un panorama en el que las fuentes de agua ya no cubren las necesidades de muchas ciudades alrededor del mundo y esta realidad se expande ao tras ao. Una posible solucin, que desde hace dcadas han adoptado pases como los Emiratos rabes Unidos, Argelia, Espaa, Australia y Chile, es la implementacin de plantas desalinizadoras, a travs de las cuales se transforma el agua de mar en agua potable y que, aunque con algunas limitaciones, pueden paliar de manera rpida las necesidades de cualquier pas que lo requiera.

Algunos pases como los Emiratos rabes, con una

creciente necesidad de agua potable, optaron por este sistema durante los aos sesenta, cuando construyeron plantas desalinizadoras trmicas aprovechando el calor excedente de la explotacin del petrleo. En esta misma dcada el desarrollo de la tecnologa permiti la construccin de plantas desalinizadoras comerciales con una produccin de hasta 8,000 m3 diarios en varios pases del mundo, entre los que se encuentran Espaa y Estados Unidos.

Estas primeras plantas desalinizaban el agua de

mar a travs de procesos de evaporacin, los que

demandaban ingentes cantidades de energa haciendo sus operaciones costosas.

Las investigaciones en nuevas tcnicas avanzaron y se desarrollaron los mtodos de desalinizacin por membranas que fueron usados durante los setenta. En las siguientes dcadas los avances tecnolgicos redujeron los costos de la desalinizacin hacindola ms rentable y comercializable.

2 PRESENTACION DEL PROBLEMA

2.1. ANTECEDENTES

El famoso escritor ingls Samuel Coleridge, en su balada del viejo marinero, deca agua, agua, por doquier, pero ni una gota para beber.

En 1961, John Kennedy deca: si algn da conseguimos obtener agua dulce del agua salada de forma competitiva y barata esto redundara en el bienestar a largo plazo de la humanidad de tal modo que empequeecera cualquier logro cientfico.

Esta utopa comenz en el siglo IV a.C. cuando Aristteles fabric el primer evaporador que se conoce. En el siglo XVIII se produce el auge de la industria del azcar y para cuyo refino se necesitaban evaporadores para abaratar el proceso productivo por lo que se favoreci el desarrollo de evaporadores ya ms avanzados.

A mediados del siglo XIX, era frecuente que algunos barcos llevasen instalados destiladores para intentar conseguir potabilizar agua marina.

Despus de la II Guerra Mundial se comienzan a instalar las primeras desaladoras. Arabia Saud y Kuwait donde el agua potable es un bien escaso, fueron los primeros pases que instalaron plantas desaladoras.

Sin embargo, es a partir de la dcada de los sesenta del siglo pasado cuando se desarroll la smosis inversa. Sistema ste que ostenta la primaca internacional por su eficacia y alto rendimiento, en los procesos de desalinizacin en el mundo.

Obtener agua dulce del mar, es para todos la mayor esperanza tecnolgica de que se resuelva las crisis hdricas que se avecinan. Gracias a la aplicacin de la desalinizacin se han resuelto muchos y graves problemas

La industria del tratamiento del agua es muy competitiva, se emplean varias tcnicas como la smosis inversa, la destilacin, el electro dilisis y la congelacin en el vaco. Hoy solamente son viables comercialmente la smosis inversa y la destilacin.

2.2. PROBLEMTICA DEL AGUA EN ISRAEL Y PALESTINA


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Israel expuso en la conferencia de paz judeo-

palestina celebrada Mosc, en enero de 1992, que la desalinizacin es la nica solucin a largo plazo para las zonas pobres en agua y en consecuencia en todo el Oriente Medio. El agua es uno de los puntos fundamentales del conflicto judo palestino.

Una desalinizadora, que desale agua para diez mil personas, tiene el mismo coste que un tanque. Para cien mil personas, lo que cuesta un avin de combate. Invertir en la desalinizacin o en el reciclaje de aguas residuales, es ms barato que llegar a acuerdos por las fuentes hdricas disponibles.

Trasvasar agua de un sitio a otro es mucho ms cara que desarrollar tcnicas que abaraten la desalinizacin. Las desalinizadoras crean la sensacin de seguridad, al poseer el Estado los recursos e instalaciones que considera vitales.

Unido a que la tecnologa avanza, hace que el agua desalinizada sea cada vez ms competitiva, con menor consumo energtico y con menos costes medio ambientales.

Fig. 3 Disponibilidad de agua de mar

2.3. PROBLEMTICA DEL AGUA EN ESPAA

Espaa es un pas con unos grandes desequilibrios hdricos. Toda la zona costera mediterrnea, que tiene un gran desarrollo industrial y turstico, adems de unas graves carencias hdricas de agua. Cada vez es ms importante el debate de si trasvase del Ebro o desaladoras

Para el catedrtico Ramn Llamas, la desalinizacin es el futuro, porque su coste est descendiendo, mientras que, el coste de la construccin de trasvases est en continuo aumento. Desalar est ya al mismo coste o ms barato que el agua del propuesto trasvase del Ebro.

Podemos tener la certeza de que dentro de unos aos el agua desalinizada ser muchsimo ms barata y ms seguro el suministro, que la que pueda llegar del trasvase. Claro que una cosa es el coste real y otra el precio poltico que se quiere poner al agua trasvasada.

La tecnologa ms utilizada en Espaa es la de smosis inversa, en base a su mejor presin de obtencin de agua, la factible ampliacin de las plantas y su gran fiabilidad.

2.4. INCONVENIENTE DE LA OSMOSIS INVERSA

El gasto elctrico que necesitan las bombas para tomar el agua del mar, lanzarlas a presin a travs de las membranas, para bombearla hasta los depsitos, hace que se encarezca la desalinizacin.

El buen diseo de los sistemas de bombeo baja los costes actualmente a tal punto que ya se consume diez veces menos de energa que hace veinte aos.

2.5. OBSERVACIONES A LA PRESENTACION DEL PROBLEMA

Si bien el mtodo de desalinizacin por osmosis inversa es efectivo, el mayor problema es el uso de energa elctrica para separar la salmuera del agua.

Otro inconveniente es que debido al gasto que demanda dicha tecnologa hace que dicha agua producida por desalinizacin se use mas para consumo humano e industrial y no para la agricultura.

Otro inconveniente es la salmuera que queda del proceso, el cual tiene que ser devuelto al mar, dndose un incremento negativo en el PH del agua del mar donde se arroja.

3 DESCRIPCION DE LA SOLUCION Las enormes reservas de agua de mar y aguas

salobres de distintas procedencias, al mismo tiempo que las dificultades existentes ya en muchos pases ante la escasez de agua dulce, han obligado a tomar en consideracin las posibilidades de su tratamiento econmico, actualmente existe una corriente de inters por la realizacin de estudios y proyectos relativos al empleo de distintas tecnologas de desalinizacin.

La desalinizacin tambin conocida como la

desalacin, es el proceso por el cual el agua de mar, que contiene 35 000 partes por milln (ppm), y las aguas salobres, que contienen de 5 000 a 10 000 ppm, se convierten en agua apta para el consumo del hombre, usos domsticos y utilizacin industrial.

Existen diferencias entre el agua dulce y el agua

potable. Los estndares para el agua dulce pueden variar en cada pas; sin embargo el estndar que


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asumimos en el Per es el empleado por la Organizacin Mundial de la Salud (OMS), el cual identifica como agua dulce una solucin acuosa que contiene menos de 500 ppm del total de solidos disueltos (TSD). La definicin de agua potable seria la misma, pero agregndole las siguientes condiciones: inodora, incolora, inspida y finalmente libre bacterias contaminantes.

3.1 PROCESOS Y METODOS 3.1.1 OSMOSIS INVERSA

Este proceso (Figura 4). Tiene los siguientes pasos.

Fig.4. Proceso de Osmosis Inversa.

La captacin del agua de mar se suele realizar mediante pozos de tuberas situadas en el lecho marino

Correccin del pH, para ajustarlo las necesidades

del tratamiento El agua pasa por una tubera de filtros de arena

que retienen la mayor parte de las partculas de suspensin.

Los filtros de cartucho garantizan que no lleguen

partculas a las membranas. El agua una vez acondicionada es impulsada a los

bastidores de membranas mediante bombas de alta presin para invertir el proceso de osmosis natural.

A travs de membranas de polmeros se produce la

osmosis inversa. El agua pasa a un lado de le membrana y la salmuera sale por otro lado.

La salmuera sale de los bastidores y se reutiliza su

energa en las turbinas de recuperacin. Se enva el depsito de rechazo y ms tarde ser

devuelta al mar mediante sistemas de difusin que la diluyen en el mar.

3.1.2 ELECTRODIALISIS

Este proceso permite la desmineralizacin de las aguas salobres haciendo que los iones de diferente signo se muevan hacia zonas diferentes aplicando campos elctricos con diferencias de potencial aplicados sobre electrodos, y utilizando membranas selectivas que permitan solo el paso de los iones en una solucin electroltica como es el agua salada.

Este proceso (Figura 5). Donde los iones van a los

compartimientos atrados por los electrodos del signo contarios, dejando en recipientes paralelos el agua pura y en el resto del agua salada ms concentrada.

Fig. 5. Proceso de electrodilisis Es un proceso que solo puede separar sustancias

que estn ionizadas y por lo tanto su utilidad y rentabilidad esta solo especialmente indicada en el tratamiento de aguas salobres.

3.1.3 DESTILACIN FLASH MULTIETAPA (MSF)

En este proceso el agua de mar es calentada en un tanque por medio de un serpentn o tubos en paralelo que contienen algn fluido caliente, posteriormente se pasa a otro tanque, llamado etapa, donde la presin reducida permite que el agua hierva. Posteriormente, el agua vaporizada es enfriada y condensada para obtener el producto. El calor latente liberado en la condensacin del vapor es utilizado para calentar la salmuera en otra etapa y el producto destilado se colecta en cascada, en cada uno de los tanques colocados en paralelo con la salmuera y se bombea a un tanque de almacenamiento.

La tasa de produccin depende de la temperatura

del agua salada y del nmero de etapas que se lleven a cabo. El agua desalinizada en este proceso contiene generalmente de 2 a 10 ppm de slidos disueltos, por lo tanto es remineralizada por potabilizacin (Figura 6).


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Fig. 6. Procesos de desalinizacin mediante MSF

4 RESULTADOS

Los pases que cuentan con mayor cantidad de plantas instaladas, se tiene a los siguientes; En primer lugar se encuentra Estados Unidos con 2,174 plantas con un 34%, de las cuales el 72 % corresponde a OI, Arabia Saudita con un total de 2,086 plantas con un 32%, de las cuales un 65% corresponde a MSF, Japn con un total de 1,457 plantas con un 22%, de las cuales un 90% corresponde a Osmosis Inversa, y a Espaa con 760 plantas aproximadamente con un 12%, de las cuales el 90% corresponde a OI. Entre los pases que tienen alrededor entre 100 a 300 plantas, estn Libia, India, China, Australia, Argelia, Bahrain y Omn, (IDA, 2007).

Actualmente la capacidad total instalada de

desalinizacin en todo el mundo es de 25 millones de m3/d y ha crecido alrededor de tres veces la capacidad existente respecto al ao 1980, de los cuales 14 Hm3/d corresponden a agua de mar y 12 Hm3/d a aguas salobres (Semiat, 2010)

5 CONCLUSIONES

La smosis inversa, tiene el menor consumo energtico y puede utilizar agua salobre como de mar, una ventaja ante los sistemas trmicos. El costo de inversin es ligado a las caractersticas del agua que se pretende desalar y en general es inferior respecto a los sistemas trmicos. Necesita una fuente exterior de energa para operar las bombas de alta presin.

La electrodilisis, tiene un consumo energtico de

tipo medio dado que solo utiliza agua de baja salinidad una desventaja respecto a sistemas de OI y trmicos, necesita menores tratamientos qumicos que los otros sistemas. Respecto a las necesidades de espacio e inversin estas son intermedias comparndola entre los otros sistemas. Por otro lado el costo de instalacin es superior a la smosis inversa y el agua producto es de inferior calidad a la de las otras tecnologas.

6 BIBLIOGRAFIA [1] Arreguin F., Desalinizacin del agua. Ingeniera Hidrulica en Mxico. Vol. XV, Nm. 1, 27-49. (2000) [2] Belfort G., Synthetic membrane processes, fundamentals and water applications. Ed. Academic, New York, pp. 287-296. (1984) [3] IDA., Desalination Yearbook. International Desalination Association. Market profi le. Pankratz T. IDA, United Kingdom, pp. 91-125. (2007) [4] Semiat R., Iwra, Water International, Desalination: Present and Future, Volume 25, Number 1. Recuperado 17 de abril de 2010 Disponible para World Wide Web: http://www.cepis.org.pe/acrobat/israel.pdf. Es la desalacin el futuro del agua en el mundo?

(23/7/2011) Disponible en: http://www.nuevatribuna.es/articulo/medio-ambiente/-es-la-desalacin-el-futuro-del-agua-en-el-mundo/20110723190425058416.html La desalinizacin del agua de mar y su tendencia actual Disponible en:

http://www.cubasolar.cu/biblioteca/energia/Energia32/HTML/articulo04.htm Desalinizacin (o desalacin) de agua de mar Disponible en:

http://www.cuentayrazon.org/revista/pdf/130/Num130_006.pdf

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