Desalinización

La desalinización es el proceso artificial mediante el cual el agua salada (generalmente agua de mar ) se convierte en agua dulce . En términos más generales, la desalinización es la eliminación de sales y minerales de una sustancia. ^{[ 1 ]} Es posible desalinizar agua salada, especialmente agua de mar, para producir agua para consumo humano o riego, generando salmuera como subproducto. ^{[ 2 ]}

El interés en la desalinización se centra principalmente en el suministro rentable de agua dulce para uso humano. Junto con las aguas residuales recicladas , es uno de los pocos recursos hídricos independientes de las precipitaciones. ^{[ 3 ]} A medida que aumenta la presión sobre la necesidad de agua dulce a nivel mundial, la desalinización se ha convertido en una parte fundamental de las estrategias para la seguridad hídrica mundial. Según una revisión de 2019 publicada en Science of the Total Environment , se producen alrededor de 95 millones de metros cúbicos diarios de agua desalinizada en todo el mundo, y se espera que la demanda de agua desalinizada crezca significativamente para ayudar a cerrar la brecha mundial en el suministro de agua.

Debido a su consumo energético, la desalinización del agua de mar suele ser más costosa que la obtención de agua dulce a partir de aguas superficiales o subterráneas , el reciclaje de agua y la conservación del agua . Sin embargo, estas alternativas no siempre están disponibles y el agotamiento de las reservas es un problema crítico a nivel mundial. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Los procesos de desalinización utilizan métodos térmicos (en el caso de la destilación ) o métodos basados en membranas (por ejemplo, en el caso de la ósmosis inversa ). ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}^{: 24}

As of 2020, global desalination capacity stood at roughly 97 million m³/day from over 16,800 operating plants, with contracted projects pushing total potential capacity beyond 114 million m³ /day worldwide.^[9] In 2018, the global energy intensity of desalination was about 3 kWh/m³ (in 2018), improved by a factor of 10 from 20–30 kWh/m³ in 1970.^[8]^:24 Nevertheless, desalination represented about 25% of the energy consumed by the water sector in 2016.^[8]^:24 Key companies in the desalination industry include Acciona, Dow, Evoqua Water Technologies, Siemens AG, DuPont, Doosan Enerbility, Toray Industries Inc., and Xylem.^[10]

History

Ancient times

Early concepts related to desalination can be traced to Aristotle, who observed in Meteorology that when seawater evaporates, the resulting vapor condenses as fresh water rather than salt water:

Salt water when it turns into vapour becomes sweet, and the vapour does not form salt water when it condenses again. This I know by experiment.^[11]

This reflects an early understanding of evaporation and condensation. He also described how a wax vessel could retain potable water after immersion in seawater, suggesting a primitive form of filtration.^[12]

References to seawater desalination also appeared in ancient China. Texts associated with the Period of the Warring States and the Eastern Han dynasty describe how bamboo mats used in rice steaming developed a thin outer layer after prolonged use, which was believed to have salt-absorbing properties.^[13]

More generally, examples of experimentation in desalination appeared throughout Antiquity and the Middle Ages, although these remained limited in scale and application.^[14] Large-scale desalination, however, did not become feasible until the modern period.^[15]

Middle Ages and Renaissance (5th–17th century)

During the Middle Ages, desalination remained limited and was primarily based on distillation, in which seawater was heated to produce vapor that was then condensed into fresh water. These methods were generally small-scale and used in specific circumstances, particularly in maritime settings.^[16]

Una contribución notable del Renacimiento provino de Leonardo da Vinci , quien propuso que el agua destilada podría producirse de manera más eficiente adaptando un alambique a una estufa. ^{[ 17 ]} En Europa Central, las técnicas de destilación también continuaron desarrollándose durante este período, aunque no siempre específicamente para la desalinización. ^{[ 16 ]}

Relatos históricos del siglo XVI describen el uso de dispositivos de desalinización en situaciones de emergencia. Un ejemplo podría haber ocurrido en 1560 en una isla frente a la costa de Túnez, donde, según se informa, una guarnición española sitiada construyó un alambique para producir agua dulce, aunque se desconocen los detalles técnicos del aparato. ^{[ 16 ]}^{[ 18 ]}

Periodo preindustrial y principios de la Edad Moderna (siglos XVI-XVIII)

Antes de la Revolución Industrial , la desalinización se utilizaba principalmente a bordo de buques transoceánicos, donde el acceso al agua dulce era esencial para los viajes largos. La destilación a bordo se utilizaba para complementar las reservas almacenadas cuando era necesario. ^{[ 19 ]}

El interés por la desalinización aumentó durante el siglo XVII. Figuras como Francis Bacon y Walter Raleigh debatieron sobre métodos de purificación del agua, mientras que Sir Richard Hawkins informó haber abastecido a su tripulación con agua dulce destilando agua de mar a bordo del barco. ^{[ 18 ]}^{[ 20 ]}^{[ 19 ]}

Este creciente interés se reflejó en las primeras patentes de aparatos desalinizadores. Se concedieron patentes en 1675 y 1683 a William Walcot y Robert Fitzgerald, entre otros, respectivamente, aunque ninguno de los inventos se generalizó debido a las dificultades para escalar la tecnología. ^{[ 21 ]}^{[ 22 ]}^{[ 16 ]}

Durante todo este período, el progreso siguió siendo gradual y no se registraron mejoras importantes en el proceso básico de destilación entre mediados del siglo XVII y finales del siglo XVIII. ^{[ 16 ]}

Cuando la fragata Protector fue vendida a Dinamarca en la década de 1780 y rebautizada como Hussaren , su aparato de destilación fue estudiado y documentado en detalle. ^{[ 23 ]} En Estados Unidos, Thomas Jefferson recopiló posteriormente métodos anteriores de desalinización basados en calor y difundió directrices prácticas para su uso marítimo. ^{[ 24 ]}^{[ 25 ]}

Era industrial (siglo XIX)

Los métodos de desalinización cambiaron significativamente desde principios del siglo XIX con la difusión de la máquina de vapor y los avances en termodinámica. La creciente demanda de agua pura para las calderas de vapor, junto con la expansión del colonialismo europeo hacia las regiones áridas, creó condiciones favorables para el desarrollo de las tecnologías de desalinización. ^{[ 16 ]}^{[ 26 ]}^{[ 27 ]}

Se introdujeron sistemas térmicos más eficientes, incluidos evaporadores de múltiple efecto , que permitieron reutilizar el calor en varias etapas. ^{[ 16 ]} En 1852, Alphonse René le Mire de Normandy patentó una unidad de destilación de agua de mar de tubo vertical que se popularizó, especialmente en aplicaciones marítimas, debido a su diseño relativamente simple y facilidad de construcción. ^{[ 16 ]}

Para la segunda mitad del siglo XIX, las plantas desalinizadoras terrestres habían comenzado a aparecer con mayor frecuencia. ^{[ 28 ]} En la década de 1860, el Ejército de los EE. UU. instaló evaporadores Normandy en Key West y Dry Tortugas . ^{[ 16 ]}^{[ 28 ]}^{[ 29 ]} En la década de 1880, se instaló otra planta en Suakin para proporcionar agua potable a las tropas británicas, utilizando destilación de seis efectos. ^{[ 16 ]}^{[ 28 ]}

siglo XX

La tecnología de desalinización avanzó significativamente después de la Segunda Guerra Mundial . Se desarrollaron y se implementaron ampliamente métodos térmicos como la desalinización por evaporación instantánea multiefecto y multietapa, especialmente en regiones con recursos limitados de agua dulce. La desalinización por congelación-descongelación también surgió como un enfoque alternativo basado en procesos de cristalización. ^{[ 30 ]}^{[ 31 ]}

En 1955, se creó la Oficina de Agua Salina dentro del Departamento del Interior de los Estados Unidos para promover la investigación y el desarrollo en desalinización. ^{[ 5 ]}^{[ 32 ]}^{[ 33 ]} Estos esfuerzos contribuyeron a la construcción de plantas de destilación y electrodiálisis y fomentaron la cooperación internacional en el campo. ^{[ 34 ]}

Uno de los avances más importantes del siglo XX fue la ósmosis inversa (OI), un proceso basado en membranas en el que la presión fuerza el paso del agua salina a través de una membrana semipermeable que retiene las sales disueltas. A finales de la década de 1960 y principios de la de 1970, la OI se había consolidado como una alternativa prometedora a la desalinización térmica. Se llevaron a cabo investigaciones en universidades de California y por empresas como Dow Chemical Company y DuPont . ^{[ 35 ]}

La primera planta desalinizadora industrial en los Estados Unidos abrió en Freeport, Texas , en 1961 después de una sequía regional prolongada. ^{[ 5 ]} La primera planta comercial de ósmosis inversa para agua salobre se inauguró en California en 1965. ^{[ 36 ]} Sidney Loeb y sus colegas de la Universidad de California, Los Ángeles ayudaron a desarrollar grandes sistemas piloto que demostraron la viabilidad de la ósmosis inversa para el suministro de agua municipal. ^{[ 37 ]} En 1975, la primera planta desalinizadora de ósmosis inversa de agua de mar entró en funcionamiento.

Desarrollos del siglo XXI y modernos

Desde principios del siglo XXI, la capacidad de desalinización se ha expandido rápidamente, con miles de plantas operando en todo el mundo, particularmente en Oriente Medio. ^{[ 38 ]} La ósmosis inversa se ha convertido en la tecnología de desalinización dominante debido a su escalabilidad y rendimiento energético. ^{[ 38 ]}

La investigación en el siglo XXI se ha centrado cada vez más en la eficiencia y la sostenibilidad. Esto ha incluido la integración de fuentes de energía renovables, como la energía solar y eólica, en los sistemas de desalinización, así como el desarrollo de membranas avanzadas, incluyendo materiales basados en grafeno, biomiméticos, cerámicos y nanocompuestos. ^{[ 39 ]}^{[ 40 ]}

En 2021, se informó que había alrededor de 22.000 plantas desalinizadoras en funcionamiento en todo el mundo. ^{[ 38 ]}

Aplicaciones

Esquema de un desalinizador de destello multietapa : A – entrada de vapor; B – entrada de agua de mar; C – salida de agua potable ; D – salida de salmuera (desecho); E – salida de condensado ; F – intercambio de calor; G – recolección de condensado (agua desalinizada); H – calentador de salmuera . El recipiente a presión actúa como un intercambiador de calor a contracorriente . Una bomba de vacío reduce la presión en el recipiente para facilitar la evaporación del agua de mar caliente ( salmuera ) que ingresa al recipiente por el lado derecho (los tonos más oscuros indican menor temperatura). El vapor se condensa en las tuberías en la parte superior del recipiente, por donde el agua de mar fresca se mueve de izquierda a derecha.

Actualmente existen alrededor de 21 000 plantas desalinizadoras en funcionamiento en todo el mundo. Las más grandes se encuentran en los Emiratos Árabes Unidos, Arabia Saudita e Israel. La planta desalinizadora más grande del mundo está ubicada en Arabia Saudita ( Planta de Energía y Desalinización de Ras Al-Khair ) con una capacidad de 1 401 000 metros cúbicos por día. ^{[ 41 ]}

Actualmente, la desalinización es costosa en comparación con la mayoría de las fuentes alternativas de agua, y solo una pequeña fracción del consumo humano total se satisface mediante la desalinización. ^{[ 42 ]} Por lo general, solo es económicamente viable para usos de alto valor (como usos domésticos e industriales) en zonas áridas . Sin embargo, existe un crecimiento en la desalinización para uso agrícola, específicamente para la desalinización del suelo . Muchos buques y submarinos también utilizan la desalinización. Su uso más extendido se da en zonas densamente pobladas como Singapur ^{[ 43 ]} o California. ^{[ 44 ]}^{[ 45 ]} y especialmente en el Golfo Pérsico . ^{[ 46 ]}

El costo energético en los procesos de desalinización varía considerablemente según la salinidad del agua, el tamaño de la planta y el tipo de proceso. Actualmente, el costo de la desalinización de agua de mar, por ejemplo, es mayor que el de las fuentes de agua tradicionales, pero se espera que los costos sigan disminuyendo con las mejoras tecnológicas que incluyen, entre otras, una mayor eficiencia, ^{[ 47 ]} la reducción del espacio físico requerido por la planta, mejoras en la operación y optimización de la planta, un pretratamiento de la alimentación más eficaz y fuentes de energía de menor costo. ^{[ 48 ]}

Si bien se observa que los costos están disminuyendo y, en general, se muestra una visión positiva de la tecnología para las zonas prósperas cercanas a los océanos, un estudio de 2005 argumentó: «El agua desalinizada puede ser una solución para algunas regiones con escasez de agua, pero no para lugares pobres, situados en el interior de un continente o a gran altitud. Desafortunadamente, esto incluye algunos de los lugares con mayores problemas de agua», y «De hecho, es necesario elevar el agua 2000 m o transportarla a lo largo de más de 1600 km para que los costos de transporte sean iguales a los de la desalinización». ^{[ 49 ]}

Por lo tanto, puede ser más económico transportar agua dulce desde otro lugar que desalinizarla. En lugares alejados del mar, como Nueva Delhi, o en lugares de gran altitud, como Ciudad de México , los costos de transporte podrían igualar los costos de desalinización. El agua desalinizada también es cara en lugares que están a la vez algo alejados del mar y a cierta altitud, como Riad y Harare . Por el contrario, en otros lugares los costos de transporte son mucho menores, como Pekín, Bangkok , Zaragoza , Phoenix y, por supuesto, ciudades costeras como Trípoli . ^{[ 50 ]} Después de la desalinización en Jubail , Arabia Saudita, el agua se bombea 320 km tierra adentro hasta Riad . ^{[ 51 ]} Para las ciudades costeras, la desalinización se considera cada vez más una opción competitiva.

En 2023, Israel utilizaba la desalinización no solo para proporcionar agua dulce para la agricultura y las necesidades humanas, sino también para reabastecer el suministro de agua del Mar de Galilea . ^{[ 52 ]}

No todos están convencidos de que la desalinización sea o vaya a ser económicamente viable o ambientalmente sostenible en un futuro previsible. Debbie Cook escribió en 2011 que las plantas desalinizadoras pueden consumir mucha energía y ser costosas. Por lo tanto, las regiones con escasez de agua harían mejor en centrarse en la conservación u otras soluciones de suministro de agua en lugar de invertir en plantas desalinizadoras. ^{[ 53 ]}

Tecnologías

Los procesos de desalinización más comunes son la destilación y la ósmosis inversa . ^{[ 54 ]}

Existen varios métodos. ^{[ 55 ]} Cada uno tiene ventajas y desventajas, pero todos son útiles. Los métodos se pueden dividir en métodos basados en membranas (por ejemplo, ósmosis inversa) y métodos basados en procesos térmicos (por ejemplo, destilación instantánea multietapa ). ^{[ 2 ]} El proceso tradicional de desalinización es la destilación, es decir, la ebullición y condensación del agua de mar para separar la sal y las impurezas. ^{[ 56 ]}

Actualmente, dos tecnologías concentran la gran mayoría de la capacidad mundial de desalinización: la destilación instantánea multietapa y la ósmosis inversa.

Destilación

destilación solar

La destilación solar imita el ciclo natural del agua, en el que el sol calienta el agua de mar lo suficiente como para que se produzca la evaporación. ^{[ 57 ]} Tras la evaporación, el vapor de agua se condensa sobre una superficie fría. ^{[ 57 ]} La energía solar calienta y evapora el agua, dejando atrás sal y otros minerales. Un estudio de 2026 informó que los paneles de metal negro grabados con láseres de femtosegundos aumentan su capacidad de absorción de luz y capilaridad. La región activa de los paneles atrae una fina capa de agua a través de la superficie, absorbe casi toda la radiación solar, destila el agua y deposita las sales y minerales restantes en la región “pasiva” no tratada del panel, asegurando que la sal no obstruya la región activa, interrumpiendo la desalinización. Los sólidos secuestrados, que incluyen cantidades significativas de litio, pueden extraerse para otros usos. ^{[ 58 ]}

evaporación natural

El agua puede evaporarse mediante diversos efectos físicos además de la radiación solar . Estos efectos se han incorporado a una metodología de desalinización multidisciplinaria en el invernadero IBTS . El IBTS es, por un lado, una planta desalinizadora industrial (generadora de energía) y, por otro, un invernadero que funciona con el ciclo natural del agua (a escala 1:10). Los distintos procesos de evaporación y condensación se llevan a cabo mediante instalaciones sencillas, parcialmente subterráneas, y se integran en la propia arquitectura del edificio. Este sistema biotecnológico integrado resulta idóneo para la reverdecimiento desértico a gran escala , ya que ocupa una superficie ^{de 2} km² para la destilación del agua y la transformación del paisaje en el proceso de reverdecimiento desértico, es decir, para la regeneración de los ciclos naturales del agua dulce.

destilación al vacío

En la destilación al vacío, la presión atmosférica se reduce, disminuyendo así la temperatura necesaria para evaporar el agua. Los líquidos hierven cuando la presión de vapor es igual a la presión ambiente, y esta aumenta con la temperatura. En efecto, los líquidos hierven a una temperatura más baja cuando la presión atmosférica ambiente es menor que la presión atmosférica habitual. Por lo tanto, debido a la reducción de presión, se puede aprovechar el calor residual a baja temperatura procedente de la generación de energía eléctrica o de procesos industriales.

Destilación instantánea multietapa

El agua se evapora y se separa del agua de mar mediante destilación instantánea multietapa , que consiste en una serie de evaporaciones instantáneas . ^{[ 57 ]} Cada proceso instantáneo subsiguiente utiliza la energía liberada por la condensación del vapor de agua de la etapa anterior. ^{[ 57 ]}

destilación de efectos múltiples

La destilación de efectos múltiples (MED) funciona mediante una serie de pasos denominados "efectos". ^{[ 57 ]} El agua entrante se rocía sobre tuberías que luego se calientan para generar vapor. El vapor se utiliza para calentar el siguiente lote de agua de mar entrante. ^{[ 57 ]} Para aumentar la eficiencia, el vapor utilizado para calentar el agua de mar puede obtenerse de centrales eléctricas cercanas. ^{[ 57 ]} Aunque este método es el más eficiente termodinámicamente entre los métodos impulsados por calor, ^{[ 59 ]} existen algunas limitaciones, como una temperatura máxima y un número máximo de efectos. ^{[ 60 ]}

destilación por compresión de vapor

La evaporación por compresión de vapor implica el uso de un compresor mecánico o un chorro de vapor para comprimir el vapor presente sobre el líquido. ^{[ 59 ]} El vapor comprimido se utiliza posteriormente para proporcionar el calor necesario para la evaporación del resto del agua de mar. ^{[ 57 ]} Dado que este sistema solo requiere energía, resulta más rentable si se mantiene a pequeña escala. ^{[ 57 ]}

destilación por membrana

La destilación por membrana utiliza una diferencia de temperatura a través de una membrana para evaporar el vapor de una solución salina y condensar agua pura en el lado más frío. ^{[ 61 ]} El diseño de la membrana puede tener un efecto significativo en la eficiencia y la durabilidad. Un estudio encontró que una membrana creada mediante electrohilado coaxial de PVDF-HFP y aerogel de sílice fue capaz de filtrar el 99,99 % de la sal después de 30 días de uso continuo. ^{[ 62 ]}

Ósmosis

Ósmosis inversa

El proceso líder para la desalinización en términos de capacidad instalada y crecimiento anual es la ósmosis inversa (OI). ^{[ 64 ]} Los procesos de membrana de OI utilizan membranas semipermeables y presión aplicada (en el lado de alimentación de la membrana) para inducir preferentemente la permeación del agua a través de la membrana, rechazando las sales. Los sistemas de membrana de las plantas de ósmosis inversa suelen consumir menos energía que los procesos de desalinización térmica. ^{[ 59 ]}

La ósmosis inversa utiliza una membrana compuesta de película delgada, que comprende una película delgada de poliamida aromática ultradelgada. Esta película de poliamida confiere a la membrana sus propiedades de transporte, mientras que el resto de la membrana compuesta de película delgada proporciona soporte mecánico. La película de poliamida es un polímero denso y sin poros con una gran superficie, lo que permite su alta permeabilidad al agua. ^{[ 65 ]} Un estudio de 2021 encontró que la permeabilidad al agua está regida principalmente por la distribución de masa interna a nanoescala de la capa activa de poliamida. ^{[ 66 ]}

El proceso de ósmosis inversa requiere mantenimiento. Diversos factores interfieren con su eficiencia: contaminación iónica (calcio, magnesio, etc.); carbono orgánico disuelto (COD); bacterias; virus; coloides y partículas insolubles; bioincrustaciones y incrustaciones , y destrucción de la membrana en casos extremos. Para mitigar los daños, se introducen diversas etapas de pretratamiento. Los inhibidores antiincrustantes incluyen ácidos y otros agentes como los polímeros orgánicos poliacrilamida y ácido polimaleico , fosfonatos y polifosfatos . ^{[ 67 ]}^{[ 68 ]}

Los inhibidores de la incrustación son biocidas (como oxidantes contra bacterias y virus), tales como cloro, ozono, hipoclorito de sodio o de calcio. A intervalos regulares, dependiendo de la contaminación de la membrana, las fluctuaciones en las condiciones del agua de mar o cuando lo requieran los procesos de monitoreo, es necesario limpiar las membranas, lo que se conoce como lavado de emergencia o de choque. El lavado se realiza con inhibidores en una solución de agua dulce y el sistema debe desconectarse. Este procedimiento es ambientalmente riesgoso, ya que el agua contaminada se vierte al océano sin tratamiento. Los hábitats marinos sensibles pueden sufrir daños irreversibles. ^{[ 67 ]}^{[ 68 ]}

Las unidades de desalinización solares aisladas utilizan energía solar para llenar un tanque de almacenamiento en una colina con agua de mar. ^{[ 69 ]} El proceso de ósmosis inversa recibe su alimentación de agua de mar presurizada en las horas sin luz solar por gravedad, lo que resulta en una producción sostenible de agua potable sin necesidad de combustibles fósiles, una red eléctrica o baterías. ^{[ 70 ]}^{[ 71 ]}^{[ 72 ]} Los nanotubos también se utilizan para la misma función (es decir, ósmosis inversa).

La ósmosis inversa de aguas profundas (DSRO) instala equipos en el lecho marino para forzar el paso del agua a través de membranas de ósmosis inversa utilizando la presión natural del agua del océano. ^{[ 73 ]} Un estudio de 2021 sugirió que la DSRO podría mejorar la eficiencia energética en comparación con la ósmosis inversa estándar hasta en un 50 %. ^{[ 74 ]} El concepto de DSRO se conoce desde hace tiempo, pero solo recientemente se ha vuelto viable debido a los avances tecnológicos de la industria del petróleo y el gas de aguas profundas, lo que ha atraído inversiones iniciales en empresas emergentes de DSRO. ^{[ 73 ]}

La planta desalinizadora de ósmosis inversa en Tampa Bay actualmente proporciona alrededor de 95 000 m³ (25 millones de ^galonesestadounidenses) de agua potable a la región cada día, lo que demuestra lo efectivas y beneficiosas que pueden ser las plantas de ósmosis inversa en funcionamiento. ^[⁷⁵^]

Ósmosis directa

La ósmosis directa utiliza una membrana semipermeable para separar el agua de los solutos disueltos. La fuerza impulsora de esta separación es un gradiente de presión osmótica, como una solución de arrastre de alta concentración. ^{[ 2 ]}

Congelación-descongelación

La desalinización por congelación-descongelación (o desalinización por congelación) utiliza la congelación para extraer agua dulce del agua salada. El agua salada se rocía durante las heladas sobre una plataforma donde se acumula hielo. Cuando las temperaturas suben, se recupera el agua de deshielo desalinizada de forma natural. Esta técnica depende de períodos prolongados de temperaturas bajo cero naturales. ^{[ 76 ]}

Otro método de congelación y descongelación, independiente de las condiciones climáticas e inventado por Alexander Zarchin , consiste en congelar agua de mar al vacío. En estas condiciones, el hielo, una vez desalinizado, se derrite y se extrae la sal.

Electrodiálisis

La electrodiálisis utiliza potencial eléctrico para mover las sales a través de pares de membranas cargadas, que atrapan la sal en canales alternos. ^{[ 77 ]} Existen varias variantes de electrodiálisis, como la electrodiálisis convencional y la electrodiálisis inversa . ^{[ 2 ]}

La electrodiálisis puede eliminar simultáneamente la sal y el ácido carbónico del agua de mar. ^{[ 78 ]} Las estimaciones preliminares sugieren que el costo de dicha eliminación de carbono puede ser pagado en gran parte, si no en su totalidad, por la venta del agua desalinizada producida como subproducto. ^{[ 79 ]}

Microbios

Las celdas de desalinización microbiana son sistemas electroquímicos biológicos que implementan el uso de bacterias electroactivas para impulsar la desalinización del agua in situ , aprovechando el gradiente natural de ánodo y cátodo de las bacterias electroactivas y creando así un supercondensador interno . ^{[ 4 ]}

El uso de celdas de desalinización microbiana aún se encuentra en fase piloto y de pruebas para su implementación en grandes plantas desalinizadoras. El primer sitio de demostración se inauguró en Denia, España, bajo el nombre de proyecto MIDES. Este proyecto ha demostrado que el uso de celdas de desalinización microbiana resulta en tasas de consumo energético extremadamente bajas. ^{[ 80 ]}^{[ 81 ]}

Energía de las olas

Los sistemas de desalinización impulsados por olas generalmente convierten el movimiento mecánico de las olas directamente en energía hidráulica para la ósmosis inversa. ^{[ 82 ]} Estos sistemas buscan maximizar la eficiencia y reducir los costos evitando la conversión a electricidad, minimizando la sobrepresión por encima de la presión osmótica e innovando en los componentes hidráulicos y de energía undimotriz. ^{[ 83 ]} Un ejemplo de este enfoque es la desalinización mediante boyas sumergidas, un método de energía undimotriz implementado por CETO ^{[ 84 ]} y Oneka. ^{[ 85 ]} CETO comenzó a operar plantas de desalinización impulsadas por olas en Garden Island, Australia Occidental, en 2013 ^{[ 86 ]} y en Perth en 2015, ^{[ 87 ]} y Oneka cuenta con instalaciones en Chile, Florida, California y el Caribe. ^{[ 85 ]}

Energía eólica

La energía eólica también puede acoplarse a la desalinización. De forma similar a la energía undimotriz, la conversión directa de energía mecánica en energía hidráulica puede reducir los componentes y las pérdidas en la alimentación de la ósmosis inversa. ^{[ 88 ]} La energía eólica también se ha considerado para su acoplamiento con tecnologías de desalinización térmica. ^{[ 89 ]}

Termoforesis

En abril de 2024, ^{[ 90 ]} los investigadores publicaron resultados experimentales de desalinización por termoforesis . Esta técnica, denominada desalinización termodifusiva, hace pasar agua salina a través de un canal expuesto a un gradiente de temperatura ortogonal al flujo del fluido. Debido a la termoforesis, las especies migran bajo este gradiente de temperatura. Los investigadores separaron el agua en fracciones y lograron una disminución de la concentración de NaCl del 3,3 % tras tres pasadas por el canal, con una tasa de recuperación (el volumen del flujo desalinizado en relación con el volumen original de agua de alimentación) del 12,5 %. En 2025, los investigadores demostraron experimentalmente el mismo proceso mediante una cascada de Burgers, ^{[ 91 ]} que previamente había demostrado mejorar la separación termodifusiva en gases. ^{[ 92 ]} Con un dispositivo de la misma superficie que el dispositivo de un solo canal de 2024, lograron mejoras en las disminuciones de concentración y las tasas de recuperación. Identificaron que el proceso era más eficiente para el tratamiento de salmuera hipersalina, lo que implica oportunidades en el tratamiento de salmuera (descarga mínima o nula de líquidos) y la recuperación de recursos a partir de la salmuera.

Aspectos de diseño

Consumo de energía

El consumo energético del proceso de desalinización depende de la salinidad del agua. La desalinización de agua salobre requiere menos energía que la desalinización de agua de mar . ^{[ 93 ]}

La intensidad energética de la desalinización de agua de mar ha mejorado: ahora es de aproximadamente 3 kWh/m³ ⁽ en 2018), una reducción de un factor de 10 con respecto a los 20-30 kWh/m³ ^de 1970. ^{[ 8 ]}^{: 24} Esto es similar al consumo de energía de otros suministros de agua dulce transportados a grandes distancias, ^{[ 94 ]} pero mucho mayor que los suministros locales de agua dulce que utilizan 0,2 kWh/m³ ^o menos. ^{[ 95 ]}

Se ha determinado un consumo mínimo de energía para la desalinización de agua de mar de alrededor de 1 kWh/m³ ^,^{[ 93 ]}^{[ 96 ]}^{[ 97 ]} excluyendo el prefiltrado y el bombeo de entrada/salida. Se ha logrado un consumo inferior a 2 kWh/m³ [98] con ^la^{tecnología de membranas} de ósmosis inversa , lo que deja un margen limitado para una mayor reducción de energía, ya que el consumo de energía de la ósmosis inversa en la década de 1970 era de 16 kWh/ ^m³ . ^{[ 93 ]}

El suministro de agua potable en Estados Unidos mediante desalinización aumentaría el consumo energético doméstico en aproximadamente un 10%, una cantidad similar a la que consumen los refrigeradores domésticos. ^{[ 99 ]} El consumo doméstico representa una fracción relativamente pequeña del consumo total de agua. ^{[ 100 ]}

Nota: El término «equivalente eléctrico» se refiere a la cantidad de energía eléctrica que se podría generar utilizando una cantidad determinada de energía térmica y un generador de turbina adecuado. Estos cálculos no incluyen la energía necesaria para construir o reacondicionar los artículos consumidos.

Dada la alta demanda energética de la desalinización y los costes económicos y medioambientales que conlleva, generalmente se la considera un último recurso después de la conservación del agua . Sin embargo, esto está cambiando a medida que los precios siguen bajando.

Cogeneración

La cogeneración consiste en generar energía térmica útil y electricidad a partir de un único proceso. Puede proporcionar calor utilizable para la desalinización en una instalación integrada, o de "doble propósito", donde una central eléctrica suministra la energía para la desalinización. Alternativamente, la producción energética de la instalación puede dedicarse a la producción de agua potable (instalación independiente), o bien, el excedente de energía puede generarse e incorporarse a la red eléctrica. La cogeneración adopta diversas formas y, teóricamente, podría utilizarse cualquier forma de producción de energía. Sin embargo, la mayoría de las plantas desalinizadoras de cogeneración actuales y planificadas utilizan combustibles fósiles o energía nuclear como fuente de energía. La mayoría de las plantas se ubican en Oriente Medio o el Norte de África, regiones que utilizan sus recursos petrolíferos para compensar la escasez de agua. La ventaja de las instalaciones de doble propósito radica en su mayor eficiencia energética, lo que hace que la desalinización sea más viable. ^{[ 102 ]}^{[ 103 ]}

La tendencia actual en instalaciones de doble propósito son las configuraciones híbridas, en las que el permeado de la desalinización por ósmosis inversa se mezcla con el destilado de la desalinización térmica. Básicamente, se combinan dos o más procesos de desalinización con la producción de energía. Estas instalaciones se han implementado en Arabia Saudita, en Jeddah y Yanbu . ^{[ 104 ]}

Un superportaaviones típico del ejército estadounidense es capaz de utilizar energía nuclear para desalinizar 1500 m³ (0,40 millones de ^galonesestadounidenses) de agua al día. ^[¹⁰⁵^]

Alternativas a la desalinización

El aumento de la conservación y la eficiencia del agua sigue siendo el enfoque más rentable en áreas con un gran potencial para mejorar la eficiencia de las prácticas de uso del agua. ^{[ 106 ]} La recuperación de aguas residuales proporciona múltiples beneficios sobre la desalinización de agua salina, ^{[ 107 ]} aunque normalmente utiliza membranas de desalinización. ^{[ 108 ]} La escorrentía urbana y la captación de aguas pluviales también proporcionan beneficios en el tratamiento, la restauración y la recarga de aguas subterráneas. ^{[ 109 ]}

Una alternativa propuesta a la desalinización en el suroeste de Estados Unidos es la importación comercial de agua a granel procedente de zonas ricas en agua, ya sea mediante buques petroleros reconvertidos en tanques de agua o por oleoductos. La idea es impopular políticamente en Canadá, donde los gobiernos impusieron barreras comerciales a las exportaciones de agua a granel como consecuencia de una reclamación en virtud del Tratado de Libre Comercio de América del Norte (TLCAN). ^{[ 110 ]}

El Departamento de Recursos Hídricos de California y la Junta Estatal de Control de Recursos Hídricos de California presentaron un informe a la legislatura estatal recomendando que los proveedores de agua urbanos alcancen un estándar de eficiencia en el uso de agua en interiores de 210 litros (55 galones estadounidenses) por persona por día para 2023, disminuyendo a 180 litros (47 galones estadounidenses) por día para 2025 y a 160 litros (42 galones estadounidenses) para 2030 y más allá. ^{[ 111 ]}^{[ 112 ]}^{[ 113 ]}

Costos

Los factores que determinan los costos de la desalinización incluyen la capacidad y el tipo de instalación, la ubicación, el agua de alimentación, la mano de obra, la energía, la financiación y la eliminación del concentrado. Los costos de desalinizar agua de mar (infraestructura, energía y mantenimiento) son generalmente más altos que los de la desalinización de agua dulce de ríos o aguas subterráneas , el reciclaje de agua y la conservación del agua , pero las alternativas solo están disponibles en algunos casos. Los costos de desalinización en 2013 oscilaron entre US$0,45 y US$1,00/m³ ^. Más de la mitad del costo proviene directamente de los costos de energía, y dado que los precios de la energía son muy volátiles, los costos reales pueden variar sustancialmente. ^{[ 114 ]}

El costo del agua dulce no tratada en el mundo en desarrollo puede alcanzar los US$5 por metro cúbico. ^{[ 115 ]}

Desde 1975, la tecnología de desalinización ha experimentado avances significativos, reduciendo el costo promedio de producir un metro cúbico de agua dulce a partir de agua de mar de $1.10 en 2000 a aproximadamente $0.50 en la actualidad. La mejora en la eficiencia de la desalinización es un factor principal que contribuye a esta reducción. El consumo de energía sigue siendo un componente importante del costo, representando hasta la mitad del costo total del proceso de desalinización. ^{[ 116 ]}

La desalinización puede sobrecargar significativamente las redes eléctricas , especialmente en regiones con recursos energéticos limitados. Por ejemplo, en la nación insular de Chipre, la desalinización representa aproximadamente el 5 % del consumo total de energía del país. ^{[ 116 ]}

El mercado mundial de desalinización alcanzó un valor de 20 mil millones de dólares en 2023. Con el crecimiento demográfico en las regiones costeras áridas, se prevé que este mercado se duplique para 2032. En 2023, la capacidad mundial de desalinización alcanzó los 99 millones de metros cúbicos diarios, un aumento significativo con respecto a los 27 millones de metros cúbicos diarios de 2003. ^{[ 116 ]}

Los destiladores controlan la presión, la temperatura y las concentraciones de salmuera para optimizar la eficiencia. La desalinización mediante energía nuclear podría ser económica a gran escala. ^{[ 121 ]}^{[ 122 ]}

En 2014, las instalaciones israelíes de Hadera, Palmahim, Ashkelon y Sorek desalinizaban agua por menos de US$0,40 por metro cúbico. ^{[ 123 ]} En 2006, Singapur desalinizaba agua por US$0,49 por metro cúbico. ^{[ 124 ]} En 2025, se inauguró una planta desalinizadora en Rizhao , China, con un costo de desalinización reportado de 2 RMB (US$0,28) por metro cúbico alimentada por calor residual. ^{[ 125 ]}

preocupaciones medioambientales

Consumo

En Estados Unidos, las estructuras de captación de agua de refrigeración están reguladas por la Agencia de Protección Ambiental (EPA). Estas estructuras pueden tener los mismos impactos ambientales que las tomas de las plantas desalinizadoras. Según la EPA, las estructuras de captación de agua causan un impacto ambiental adverso al succionar peces y mariscos o sus huevos hacia un sistema industrial. Allí, los organismos pueden morir o resultar heridos por el calor, el estrés físico o los productos químicos. Los organismos de mayor tamaño pueden morir o resultar heridos al quedar atrapados contra las rejillas en la parte frontal de la estructura de captación. ^{[ 126 ]} Entre los tipos de captación alternativos que mitigan estos impactos se encuentran los pozos de playa, pero requieren más energía y son más costosos. ^{[ 127 ]}

La planta desalinizadora de Kwinana abrió sus puertas en la ciudad australiana de Perth en 2007. El agua allí, así como en la planta desalinizadora de Gold Coast en Queensland y en la planta desalinizadora de Kurnell en Sídney , se extrae a una velocidad de 0,1 m ^/s (0,33 ft/s) , lo suficientemente lenta como para permitir que los peces escapen. La planta proporciona casi 140 000 m³ (4 900 000 ft³ ) de agua limpia al día. ^[¹²⁸^]

En 2025, Corpus Christi, Texas, canceló un gran proyecto de desalinización debido a la controversia sobre preocupaciones ambientales y financieras. ^{[ 129 ]}

Salida

Los procesos de desalinización producen grandes cantidades de salmuera , posiblemente a temperaturas superiores a la ambiente, y contienen residuos de productos químicos de pretratamiento y limpieza, sus subproductos de reacción y metales pesados debido a la corrosión (especialmente en plantas basadas en energía térmica). ^{[ 130 ]}^{[ 131 ]} El pretratamiento químico y la limpieza son necesarios en la mayoría de las plantas desalinizadoras, lo que normalmente incluye la prevención de la bioincrustación, la formación de incrustaciones, la formación de espuma y la corrosión en plantas térmicas, y de la bioincrustación, los sólidos en suspensión y los depósitos de incrustaciones en plantas de membrana. ^{[ 132 ]}

Para limitar el impacto ambiental del retorno de la salmuera al océano, esta puede diluirse con otro flujo de agua que ingrese al océano, como el vertido de una planta de tratamiento de aguas residuales o una central eléctrica. En centrales eléctricas y desalinizadoras de tamaño mediano a grande, el flujo de agua de refrigeración de la central eléctrica suele ser varias veces mayor que el de la desalinizadora, lo que reduce la salinidad de la mezcla. Otro método para diluir la salmuera es mezclarla mediante un difusor en una zona de mezcla. Por ejemplo, una vez que una tubería que contiene la salmuera llega al fondo marino, puede dividirse en varias ramificaciones, cada una de las cuales libera salmuera gradualmente a través de pequeños orificios a lo largo de su longitud. La mezcla puede combinarse con la dilución en centrales eléctricas o plantas de tratamiento de aguas residuales. Se pueden adoptar sistemas de descarga cero de líquidos para tratar la salmuera antes de su eliminación. ^{[ 130 ]}^{[ 133 ]}

Según evaluaciones globales recientes, la descarga de salmuera de las plantas desalinizadoras supera actualmente el volumen de agua dulce producida, alcanzando aproximadamente 142 millones de m³ ^/ día. Estos resultados generan creciente preocupación por el aumento de la salinidad marina, la alteración de los ecosistemas y el impacto ambiental de la expansión de la desalinización. ^{[ 134 ]}

Estudios recientes han generado preocupación sobre los efectos de los microplásticos y los residuos químicos que se introducen durante el proceso de desalinización. Los productos químicos de pretratamiento, los antiincrustantes y los agentes de limpieza pueden contribuir a la presencia de contaminantes traza en los efluentes si no se gestionan adecuadamente. Si bien estos impactos suelen ser menores que los problemas relacionados con la salmuera, demuestran la importancia de mejorar el monitoreo ambiental y adoptar tecnologías de pretratamiento más limpias. ^{[ 135 ]}

Otra posibilidad es hacer que la planta desalinizadora sea móvil, evitando así que la salmuera se acumule en un solo lugar. Ya se han construido algunas plantas desalinizadoras móviles (conectadas a barcos). ^{[ 136 ]}^{[ 137 ]}

La salmuera es más densa que el agua de mar y, por lo tanto, se hunde hasta el fondo del océano y puede dañar el ecosistema. Se ha observado que las columnas de salmuera disminuyen con el tiempo hasta alcanzar una concentración diluida, lo que resulta en un efecto mínimo o nulo sobre el entorno circundante. Sin embargo, algunos estudios han demostrado que la dilución puede ser engañosa debido a la profundidad a la que se produce. Si se observa dilución en verano, esto puede deberse a un evento de termoclina estacional que impide que la salmuera concentrada se hunda hasta el fondo marino. Esto tiene el potencial de alterar las aguas sobre el fondo marino. Se ha observado que la dispersión de salmuera de las plantas desalinizadoras viaja varios kilómetros, dañando potencialmente ecosistemas distantes. Una reintroducción cuidadosa con medidas apropiadas y estudios ambientales puede minimizar este problema. ^{[ 138 ]}^{[ 139 ]}

consumo de energía

Se prevé que la demanda de energía para la desalinización en Oriente Medio, impulsada por la grave escasez de agua , se duplique para 2030. Actualmente, este proceso utiliza principalmente combustibles fósiles , que representan más del 95 % de su fuente de energía. En 2023, la desalinización consumió casi la mitad de la energía del sector residencial en la región. ^{[ 140 ]} La mayor parte del agua potable consumida en Israel , Arabia Saudita , Omán y Kuwait se produce mediante desalinización. ^{[ 141 ]}^{[ 142 ]}

Otros temas

Debido a la naturaleza del proceso, es necesario ubicar las plantas en aproximadamente 25 acres (10 ha) de terreno en la costa o cerca de ella. ^[¹⁴³^] En el caso de una planta construida tierra adentro, se deben instalar tuberías en el suelo para facilitar la entrada y salida de agua. ^[¹⁴³^] Sin embargo, una vez instaladas, las tuberías pueden tener fugas y contaminar los acuíferos cercanos. ^[¹⁴³^] Además de los riesgos ambientales, el ruido generado por ciertos tipos de plantas desalinizadoras puede ser elevado. ^[¹⁴³^]

Aspectos de salud

Deficiencia de yodo

La desalinización elimina el yodo del agua y podría aumentar el riesgo de trastornos por deficiencia de yodo . Investigadores israelíes afirmaron que existía un posible vínculo entre la desalinización del agua de mar y la deficiencia de yodo, ^{[ 144 ]} encontrando déficits de yodo entre adultos expuestos a agua pobre en yodo ^{[ 145 ]} simultáneamente con una proporción creciente del agua potable de su área proveniente de la ósmosis inversa de agua de mar (SWRO). ^{[ 146 ]} Posteriormente, encontraron probables trastornos por deficiencia de yodo en una población que dependía del agua de mar desalinizada. ^{[ 147 ]}

En 2017, investigadores israelíes sugirieron una posible relación entre el uso intensivo de agua desalinizada y la deficiencia nacional de yodo. ^{[ 148 ]} Encontraron una alta prevalencia de deficiencia de yodo en la población general de Israel: el 62% de los niños en edad escolar y el 85% de las mujeres embarazadas se encuentran por debajo del rango de adecuación de la OMS. ^{[ 149 ]} También señalaron la dependencia nacional del agua desalinizada con bajo contenido de yodo, la ausencia de un programa universal de yodación de la sal y los informes sobre el aumento del uso de medicamentos para la tiroides en Israel como posibles razones de la baja ingesta de yodo de la población. ^{[ 150 ]} En el año en que se realizó la encuesta, la cantidad de agua producida por las plantas desalinizadoras constituía aproximadamente el 50% de la cantidad de agua dulce suministrada para todas las necesidades y aproximadamente el 80% del agua suministrada para necesidades domésticas e industriales en Israel. ^{[ 151 ]}

Técnicas experimentales

Otras técnicas de desalinización incluyen:

Calor residual

Las tecnologías de desalinización impulsadas térmicamente se sugieren con frecuencia para su uso con fuentes de calor residual de baja temperatura , ya que estas bajas temperaturas no son útiles para el calor de proceso necesario en muchos procesos industriales, pero sí ideales para las bajas temperaturas requeridas para la desalinización. ^{[ 59 ]} Esta combinación con calor residual puede incluso mejorar el proceso eléctrico: los generadores diésel suelen proporcionar electricidad en zonas remotas. Alrededor del 40-50% de la energía producida es calor de baja calidad que sale del motor a través del escape. ^{[ 59 ]}

La conexión de una tecnología de desalinización térmica, como un sistema de destilación por membrana, a los gases de escape de un motor diésel permite aprovechar este calor residual para la desalinización. El sistema enfría activamente el generador diésel , mejorando su eficiencia y aumentando su producción de electricidad. Esto da como resultado una solución de desalinización energéticamente neutra. La empresa holandesa Aquaver puso en marcha una planta de este tipo en marzo de 2014 en Gulhi , Maldivas. ^{[ 152 ]}^{[ 153 ]}

Térmica de baja temperatura

La desalinización térmica a baja temperatura (LTTD), que surgió originalmente de la investigación sobre la conversión de energía térmica oceánica , aprovecha la ebullición del agua a baja presión, incluso a temperatura ambiente . El sistema utiliza bombas para crear un entorno de baja presión y baja temperatura en el que el agua hierve con un gradiente de temperatura de 8 a 10 °C (14 a 18 °F) entre dos volúmenes de agua. Se suministra agua fría del océano desde profundidades de hasta 600 m (2000 pies) . Esta agua se bombea a través de serpentines para condensar el vapor de agua. El condensado resultante es agua purificada. La LTTD puede aprovechar el gradiente de temperatura disponible en las centrales eléctricas, donde se descargan grandes cantidades de aguas residuales calientes, lo que reduce el aporte de energía necesario para crear dicho gradiente. ^[¹⁵⁴^]

Se realizaron experimentos en EE. UU. y Japón para probar el enfoque. En Japón, la Universidad de Saga probó un sistema de evaporación por pulverización instantánea. ^{[ 155 ]} En Hawái, el Laboratorio Nacional de Energía probó una planta OTEC de ciclo abierto con agua dulce y producción de energía utilizando una diferencia de temperatura de 20 °C (36 °F) entre el agua superficial y el agua a una profundidad de alrededor de 500 m (1600 pies) . El Instituto Nacional de Tecnología Oceánica (NIOT) de la India estudió el LTTD en 2004. Su primera planta LTTD abrió en 2005 en Kavaratti en las islas Lakshadweep . La capacidad de la planta es de 100 000 L (22 000 gal imperiales ; 26 000 gal estadounidenses ) /día, con un costo de capital de 50 millones de INR (922 000 €). La planta utiliza agua profunda a una temperatura de 10 a 12 °C (50 a 54 °F) . ^[¹⁵⁶^]

En 2007, NIOT inauguró una planta experimental flotante de LTTD frente a la costa de Chennai , con una capacidad de 1.000.000 L (220.000 galones imperiales ; 260.000 galones estadounidenses ) /día. En 2009 se estableció una planta más pequeña en la central termoeléctrica del norte de Chennai para demostrar la aplicación de LTTD en lugares donde se dispone de agua de refrigeración de la central eléctrica. ^[¹⁵⁴^]^[¹⁵⁷^]^[¹⁵⁸^]

Proceso termoiónico

En octubre de 2009, Saltworks Technologies anunció un proceso que utiliza calor solar u otro calor térmico para impulsar una corriente iónica que elimina todos los iones de sodio y cloro del agua mediante membranas de intercambio iónico. ^{[ 159 ]}

En Jacksonville, Florida, un equipo liderado por Arctic Solar diseñó un sistema de desalinización solar-térmica que utiliza un disolvente termosensible para extraer agua. Posteriormente, Arctic Solar diseñó un concentrador parabólico compuesto externo para calentar el disolvente y separarlo del agua dulce generada. La empresa pondrá a prueba sus ideas en el Centro de Investigación y Conservación del Agua de Southern Company en Georgia. ^{[ 160 ]}

Evaporación y condensación para cultivos

El invernadero de agua de mar utiliza procesos naturales de evaporación y condensación dentro de un invernadero alimentado por energía solar para cultivar cosechas en tierras costeras áridas.

Polarización de la concentración de iones

En 2022, utilizando una técnica que empleaba múltiples etapas de polarización de concentración de iones (ICP) seguidas de una sola etapa de electrodiálisis , investigadores del MIT lograron crear una unidad de desalinización portátil sin filtro, capaz de eliminar tanto sales disueltas como sólidos en suspensión . ^{[ 161 ]} Diseñado para ser utilizado por personas sin experiencia en áreas remotas o desastres naturales , así como en operaciones militares, el prototipo tiene el tamaño de una maleta, mide 42 × 33,5 × 19 ^cm³ y pesa 9,25 kg. ^[¹⁶¹^]

El proceso es totalmente automatizado, notifica al usuario cuando el agua es potable y se puede controlar con un solo botón o una aplicación para smartphone. Al no requerir una bomba de alta presión, el proceso es altamente eficiente energéticamente, consumiendo solo 20 vatios-hora por litro de agua potable producida, lo que permite alimentarlo con paneles solares portátiles comunes . El uso de un diseño sin filtro a bajas presiones o filtros reemplazables reduce significativamente los requisitos de mantenimiento, mientras que el dispositivo en sí es autolimpiable. ^{[ 162 ]}

Sin embargo, el dispositivo tiene una capacidad limitada para producir 0,33 litros por minuto (5,2 gal/h) de agua potable. ^[¹⁶¹^] También existe preocupación de que la acumulación de residuos afecte la fiabilidad a largo plazo, especialmente en aguas con alta turbidez . Los investigadores están trabajando para aumentar la eficiencia y la tasa de producción con la intención de comercializar el producto en el futuro; sin embargo, una limitación importante es la dependencia de materiales costosos en el diseño actual. ^[¹⁶²^]

Otros enfoques

La desalinización por adsorción (AD) se basa en las propiedades de absorción de humedad de ciertos materiales como el gel de sílice. ^{[ 163 ]}

Ósmosis directa

Un proceso fue comercializado por Modern Water PLC utilizando ósmosis directa , y se informó que varias plantas estaban en funcionamiento. ^{[ 164 ]}^{[ 165 ]}^{[ 166 ]}

desalinización a base de hidrogel

{\displaystyle V_{box}} — Esquema de la máquina desalinizadora: la caja desalinizadora de volumen $V_{box}$ contiene un gel de volumen $V_{gel}$ que está separada por un tamiz del volumen de solución exterior $V_{out}=V_{box}-V_{gel}$ La caja está conectada a dos grandes tanques con salinidad alta y baja mediante dos grifos que se pueden abrir y cerrar según se desee. La cadena de cubos indica el consumo de agua dulce, seguido del rellenado del depósito de baja salinidad con agua salada. ^{[ 167 ]}

La idea del método radica en que, al poner el hidrogel en contacto con una solución salina acuosa, se hincha absorbiendo una solución con una composición iónica diferente a la original. Esta solución se puede extraer fácilmente del gel mediante un tamiz o una membrana de microfiltración. La compresión del gel en un sistema cerrado provoca un cambio en la concentración de sal, mientras que la compresión en un sistema abierto, durante el intercambio iónico del gel con el medio circundante, produce un cambio en el número de iones. ^{[ 167 ]}

La consecuencia de la compresión y la expansión en condiciones de sistema abierto y cerrado imita el ciclo de Carnot inverso de una máquina de refrigeración. La única diferencia es que, en lugar de calor, este ciclo transfiere iones de sal desde un volumen de baja salinidad a un volumen de alta salinidad. Al igual que el ciclo de Carnot, este ciclo es completamente reversible, por lo que, en principio, puede funcionar con una eficiencia termodinámica ideal. ^{[ 167 ]}

Debido a que el método no requiere el uso de membranas osmóticas, puede competir con el método de ósmosis inversa. Además, a diferencia de la ósmosis inversa, este método no es sensible a la calidad del agua de alimentación ni a sus variaciones estacionales, y permite la producción de agua con cualquier concentración deseada. ^{[ 167 ]}

Energía solar a pequeña escala

Estados Unidos, Francia y los Emiratos Árabes Unidos están trabajando para desarrollar la desalinización solar práctica . ^{[ 168 ]} El WaterStillar de AquaDania se ha instalado en Dahab, Egipto, y en Playa del Carmen, México. Con este sistema, un colector solar térmico de dos metros cuadrados puede destilar de 40 a 60 litros por día de cualquier fuente de agua local , cinco veces más que los destiladores convencionales. Elimina la necesidad de botellas de plástico PET o del transporte de agua que consume energía. ^[¹⁶⁹^]

En el centro de California, la empresa emergente WaterFX está desarrollando un método de desalinización alimentado por energía solar que permite el uso del agua local, incluyendo el agua de escorrentía, la cual puede ser tratada y reutilizada. El agua subterránea salina de la región se trataría para convertirla en agua dulce, y en las zonas cercanas al océano, se podría tratar el agua de mar. ^{[ 170 ]}

desalinización basada en energía

La integración de energías renovables en los procesos de desalinización es una estrategia clave para aliviar la alta demanda de energía y el impacto ambiental de la desalinización convencional. Si bien la mayoría de las plantas desalinizadoras actuales funcionan principalmente con combustibles fósiles, algunas utilizan energía solar, eólica, geotérmica y mareomotriz. Estos sistemas resultan especialmente atractivos en regiones remotas y escasamente pobladas donde el acceso a la red eléctrica es limitado, pero abundan los recursos renovables. ^{[ 171 ]}

Desalinización mediante energía solar

Existen dos tipos de desalinización mediante energía solar: la basada en energía solar térmica y la basada en energía fotovoltaica. La desalinización solar térmica utiliza energía solar concentrada (CSP) o colectores solares para producir calor para aplicaciones como la destilación multiefecto (MED), la destilación instantánea multietapa (MSF) o la destilación por membrana (MD). En comparación, los sistemas impulsados por energía fotovoltaica utilizan la luz solar para producir energía que alimenta unidades de ósmosis inversa (RO) o electrodiálisis. Los materiales de cambio de fase, los nanofluidos y las modernas tecnologías de almacenamiento térmico se han utilizado ampliamente para mejorar la eficiencia de los destiladores solares a pequeña escala y los sistemas híbridos (Ghaffour, 2016). Por ejemplo, se han introducido dispositivos modulares de destilación solar en aldeas costeras del norte de África y Oriente Medio, que proporcionan hasta 5000 litros de agua limpia al día sin emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) (IRENA, 2022). ^{[ 172 ]}

Sistemas alimentados por energía eólica e híbrida.

La desalinización eólica utiliza energía mecánica o eléctrica de turbinas eólicas para operar unidades de ósmosis inversa o presurizar el agua de alimentación. Se están probando sistemas híbridos eólico-solares en diferentes condiciones climáticas para evitar condiciones erráticas. En España, una planta integrada de desalinización eólica-fotovoltaica en las Islas Canarias ha experimentado una reducción del 40 % en los gastos operativos en comparación con los sistemas de desalinización conectados a la red eléctrica, gracias a su puesta en marcha en 2019 (Al-Karaghouli y Kazmerski, 2013). ^{[ 173 ]}

Aplicación del tratamiento geotérmico y de calor residual

Los recursos geotérmicos a bajas temperaturas y el calor residual industrial pueden suministrar energía térmica a los sistemas de desalinización para mejorar la eficiencia de estos en los procesos de recuperación y producción de agua. La desalinización geotérmica se ha implementado en Islandia y Turquía, donde se utiliza el calor del subsuelo para alimentar unidades de destilación por membrana (MED) o de baja temperatura (Narayan, 2019). Asimismo, el calor residual de generadores diésel, plantas de fabricación o fuentes industriales puede formar parte de un sistema de destilación por membrana que también se almacena en el proceso in situ, el cual es intrínsecamente libre de energía (Gude, 2016). ^{[ 174 ]}

Innovaciones tecnológicas

La ciencia de los materiales también está transformando los paradigmas de las energías renovables. Se han propuesto membranas nanoestructuradas con permeabilidad mejorada y rechazo de sales para superar la alta demanda energética de la ósmosis inversa impulsada por energía solar (Shen et al., 2021). Además, se está investigando la desionización capacitiva (CDI) impulsada por energía solar o la destilación fototérmica por membrana que emplea materiales absorbentes de luz solar para el calentamiento local en la superficie de la membrana, lo que mejora significativamente el flujo de vapor pero reduce la obstrucción (Shatat et al., 2014). ^{[ 175 ]}

Implicaciones económicas y ambientales

Los costos de capital que requiere la desalinización renovable son relativamente altos, pero la producción de energía es variable. Los sistemas de desalinización alimentados por energía solar y eólica operan actualmente a escala comercial en regiones como Oriente Medio, Australia y las costas de Estados Unidos. ^{[ 176 ]} Sin embargo, el análisis del ciclo de vida revela que la huella ambiental de los sistemas de desalinización alimentados por energía solar o eólica es mucho menor que la de los procesos basados en combustibles fósiles. Según IRENA (2022), en comparación con los métodos convencionales, la desalinización renovable es capaz de reducir las emisiones de carbono hasta en un 80 %. En varias regiones costeras, el precio nivelado del agua proveniente de sistemas híbridos fotovoltaicos-ósmosis inversa está cayendo por debajo de 1 dólar por metro cúbico y se acerca al de la desalinización conectada a la red. ^{[ 177 ]}

Aplicaciones en contextos sociales y regionales

En aplicaciones humanitarias y fuera de la red eléctrica, la desalinización renovable es una herramienta importante. Ya se están desarrollando unidades portátiles de desalinización solar para ayuda humanitaria en casos de desastre y uso militar. Estas unidades les proporcionarán agua potable a partir de agua de mar o agua salobre y requerirán muy poco mantenimiento. El Instituto Nacional de Tecnología Oceánica (NIOT) ha puesto en marcha con éxito unidades de desalinización asistidas por energía solar en territorios insulares de la India, mientras que proyectos piloto en California utilizan energía solar concentrada para tratar la escorrentía agrícola (Naciones Unidas, 2023). ^{[ 178 ]}^{[ 179 ]}

Perspectivas futuras

El mundo en su conjunto demuestra un enorme potencial de desalinización renovable a medida que los países trabajan para encontrar soluciones sostenibles que superen la escasez de agua. Con el desarrollo de nuevas tecnologías como el almacenamiento de energía, la inteligencia artificial para la optimización de procesos y las membranas de grafeno, se prevé que se alcance una eficiencia aún mayor. Si bien la tecnología de desalinización continúa evolucionando, la Asociación Internacional de Desalinización estima que para 2035 debería existir un 20 % de nueva capacidad de desalinización proveniente de fuentes renovables (IRENA, 2022). A pesar de una serie de desafíos, como el costo, la intermitencia y la necesidad de escalar la implementación de energías renovables, la integración de estas se considera uno de los enfoques más viables para la captación sostenible de agua en el nuevo siglo. ^{[ 180 ]}

Passarell

El proceso Passarell utiliza presión atmosférica reducida en lugar de calor para impulsar la desalinización por evaporación. El vapor de agua pura generado por la destilación se comprime y condensa mediante un compresor avanzado. El proceso de compresión mejora la eficiencia de la destilación al crear una presión reducida en la cámara de evaporación. El compresor centrifuga el vapor de agua pura después de que este pasa por un separador de niebla (que elimina las impurezas residuales), lo que provoca que se comprima contra los tubos de la cámara de recolección. ^{[ 181 ]}

La compresión del vapor aumenta su temperatura. El calor se transfiere al agua que entra en los tubos, vaporizándola. El vapor de agua se condensa en la superficie exterior de los tubos, formando agua de producto. Al combinar varios procesos físicos, Passarell permite reciclar la mayor parte de la energía del sistema mediante sus procesos de evaporación, desempañado, compresión de vapor, condensación y movimiento del agua. ^{[ 181 ]}

Geotermia

La energía geotérmica puede impulsar la desalinización. En la mayoría de los lugares, la desalinización geotérmica es más rentable, tanto desde el punto de vista ambiental como económico, que el agua subterránea o superficial es escasa.

Nanotecnología

Las membranas de nanotubos con mayor permeabilidad que las membranas de la generación actual podrían conducir a una eventual reducción del impacto ambiental de las plantas desalinizadoras de ósmosis inversa. También se ha sugerido que el uso de dichas membranas reducirá la energía necesaria para la desalinización. ^{[ 182 ]}

Se ha demostrado que las membranas nanocompuestas sulfonadas herméticas son capaces de eliminar diversos contaminantes a nivel de partes por mil millones y presentan poca o ninguna susceptibilidad a altos niveles de concentración de sal. ^{[ 183 ]}^{[ 184 ]}^{[ 185 ]}

Biomímesis

Las membranas biomiméticas son otro enfoque. ^{[ 186 ]}

Electroquímica

En 2008, Siemens Water Technologies anunció una tecnología que aplicaba campos eléctricos para desalinizar un metro cúbico de agua utilizando tan solo 1,5 kWh de energía. De ser cierto, este proceso consumiría la mitad de la energía que otros procesos. ^{[ 187 ]} En 2012, una planta de demostración estaba en funcionamiento en Singapur. ^{[ 188 ]} Investigadores de la Universidad de Texas en Austin y la Universidad de Marburgo están desarrollando métodos más eficientes de desalinización de agua de mar mediante procesos electroquímicos. ^{[ 189 ]}

Choques electrocinéticos

Un proceso que emplea ondas de choque electrocinéticas puede utilizarse para lograr la desalinización sin membranas a temperatura y presión ambiente. ^{[ 190 ]} En este proceso, los aniones y cationes del agua salada se intercambian por aniones carbonato y cationes calcio, respectivamente, mediante ondas de choque electrocinéticas. Los iones calcio y carbonato reaccionan para formar carbonato de calcio , que precipita, dejando agua dulce. La eficiencia energética teórica de este método es comparable a la de la electrodiálisis y la ósmosis inversa .

Extracción con solvente por variación de temperatura

La extracción con solvente por variación de temperatura (TSSE, por sus siglas en inglés) utiliza un solvente en lugar de una membrana o altas temperaturas.

La extracción con solventes es una técnica común en ingeniería química . Puede activarse mediante calor de baja intensidad (menos de 70 °C (158 °F)) , lo que puede no requerir calentamiento activo. En un estudio, la extracción con solventes totales eliminó hasta el 98,4 por ciento de la sal en salmuera. ^[¹⁹¹^] Se agrega un solvente cuya solubilidad varía con la temperatura al agua salada. A temperatura ambiente, el solvente atrae las moléculas de agua lejos de la sal. Luego, el solvente cargado de agua se calienta, lo que provoca que el solvente libere el agua ahora libre de sal. ^[¹⁹²^]

Puede desalinizar salmuera extremadamente salada, hasta siete veces más salada que el océano. En comparación, los métodos actuales solo pueden tratar salmuera con el doble de sal.

energía de las olas

Un sistema marino a pequeña escala utiliza la energía de las olas para desalinizar entre 30 y 50 m³ ^/ día. El sistema funciona sin energía externa y está construido con botellas de plástico recicladas. ^{[ 193 ]}

En tiempos de guerra

Particularmente en regiones con escasez de agua, como Oriente Medio, las plantas desalinizadoras constituyen una infraestructura civil vital protegida por las leyes de la guerra, como el artículo 54 del Protocolo I de los Convenios de Ginebra y las Reglas de Berlín sobre Recursos Hídricos . Los ataques deliberados contra la infraestructura de desalinización han sido calificados como crímenes de guerra. ^{[ 194 ]}^{[ 195 ]}^{[ 196 ]}

Uso en todo el mundo

Trade Arabia afirma que Arabia Saudita produce 7,9 millones de metros cúbicos de agua desalinizada al día, o el 22% del total mundial, a finales de 2021. ^{[ 197 ]}

Perth comenzó a operar una planta desalinizadora de agua de mar por ósmosis inversa en 2006. ^{[ 198 ]} La planta desalinizadora de Perth se alimenta parcialmente con energía renovable del parque eólico Emu Downs . ^{[ 128 ]}^{[ 199 ]}
Una planta desalinizadora opera actualmente en Sídney , ^{[ 200 ]} y la planta desalinizadora de Wonthaggi estaba en construcción en Wonthaggi , Victoria. Un parque eólico en Bungendore, Nueva Gales del Sur, fue construido específicamente para generar suficiente energía renovable para compensar el consumo energético de la planta de Sídney, ^{[ 201 ]} mitigando así las preocupaciones sobre las emisiones nocivas de gases de efecto invernadero .
Un artículo del 17 de enero de 2008 en The Wall Street Journal afirmaba: "En noviembre, Poseidon Resources Corp., con sede en Connecticut, obtuvo una aprobación regulatoria clave para construir la planta desalinizadora de agua de 300 millones de dólares en Carlsbad , al norte de San Diego . La instalación produciría 190.000 metros cúbicos de agua potable por día, suficiente para abastecer a unos 100.000 hogares. ^[²⁰²^] A junio de 2012, el costo del agua desalinizada había aumentado a 1,888 dólares por metro cúbico (2.329 dólares por acre-pie) . ^[²⁰³^] Cada 1.000 dólares por acre-pie equivalen a 3,06 dólares por 1.000 galones, o 0,81 dólares/ ^m³ . ^[²⁰⁴^]

A medida que las nuevas innovaciones tecnológicas siguen reduciendo el costo de capital de la desalinización, más países están construyendo plantas desalinizadoras como un pequeño elemento para abordar sus problemas de escasez de agua . ^{[ 205 ]}

Israel desaliniza el agua a un costo de 53 centavos por metro cúbico ^{[ 206 ].}
Singapur desaliniza el agua por 49 centavos por metro cúbico ^{[ 207 ]} y también trata las aguas residuales con ósmosis inversa para uso industrial y potable ( NEWater ).
China e India, los dos países más poblados del mundo, están recurriendo a la desalinización para satisfacer una pequeña parte de sus necesidades de agua ^{[ 208 ]}^{[ 209 ].}
En 2007, Pakistán anunció planes para utilizar la desalinización ^{[ 210 ].}
Todas las capitales australianas (excepto Canberra , Darwin , el Territorio del Norte y Hobart ) están en proceso de construir plantas desalinizadoras o ya las están utilizando. A finales de 2011, Melbourne comenzaráUtilizar la planta desalinizadora de Wonthaggi , la más grande de Australia, para elevar los bajos niveles de los embalses.
En 2007, Bermudas firmó un contrato para comprar una planta desalinizadora ^{[ 211 ].}
Antes de 2015, la planta desalinizadora más grande de Estados Unidos estaba en Tampa Bay , Florida, que comenzó a desalinizar 95 000 ^m³( 25 millones de galones estadounidenses ) de agua por día en diciembre de 2007. ^[²¹²^] En Estados Unidos, el costo de la desalinización es de $0,81 por metro cúbico o $0,0031 por galón estadounidense . ^[²⁰⁴^] En Estados Unidos, California, Arizona , Texas y Florida utilizan la desalinización para una parte muy pequeña de su suministro de agua. ^[²¹³^]^[²¹⁴^]^[²¹⁵^] Desde 2015, la planta desalinizadora Claude "Bud" Lewis Carlsbad ha estado produciendo 190 000 m³ (50 millones ^{de galones}estadounidenses ) de agua potable diariamente. ^[²¹⁶^]
Después de ser desalinizada en Jubail , Arabia Saudita, el agua es bombeada 200 millas (320 km) tierra adentro a través de un oleoducto hasta la capital, Riad . ^[²¹⁷^]
Texas tiene más de 370 millas (600 km) de costa y podría convertirse en un importante centro de desalinización en el futuro; actualmente es un tema controvertido debido a los costos y las preocupaciones ambientales. ^[²¹⁸^]

En 2008, "En todo el mundo, 13.080 plantas desalinizadoras producían más de 12.000 millones de galones de agua al día, según la Asociación Internacional de Desalinización". ^{[ 202 ]} Una estimación de 2009 halló que el suministro mundial de agua desalinizada se triplicaría entre 2008 y 2020. ^{[ 219 ]}

Uno de los centros de desalinización más grandes del mundo es el Complejo de Generación de Energía y Producción de Agua de Jebel Ali en los Emiratos Árabes Unidos. Se trata de un complejo que alberga múltiples plantas que utilizan diferentes tecnologías de desalinización y tiene capacidad para producir 2,2 millones de metros cúbicos de agua al día. ^{[ 220 ]}

Un portaaviones típico del ejército estadounidense utiliza energía nuclear para desalinizar 1.500 metros cúbicos (400.000 galones estadounidenses ) de agua al día. ^[²²¹^]

En la naturaleza

La evaporación del agua sobre los océanos en el ciclo del agua es un proceso natural de desalinización.

La formación de hielo marino produce hielo con poca sal, mucho menor que la del agua de mar.

Las aves marinas destilan agua de mar mediante intercambio a contracorriente en una glándula con rete mirabile . Esta glándula secreta salmuera altamente concentrada que se almacena cerca de las fosas nasales, encima del pico. El ave luego expulsa la salmuera mediante un estornudo. Dado que el agua dulce no suele estar disponible en sus entornos, algunas aves marinas, como los pelícanos , los petreles , los albatros , las gaviotas y los charranes , poseen esta glándula, que les permite beber el agua salada de su entorno cuando se encuentran lejos de la costa. ^{[ 222 ]}^{[ 223 ]}

Los manglares crecen en agua de mar; secretan sal atrapándola en partes de la raíz, que luego son consumidas por animales (generalmente cangrejos). El exceso de sal se elimina almacenándola en las hojas que se desprenden. Algunos tipos de manglares tienen glándulas en sus hojas que funcionan de manera similar a la glándula desalinizadora de las aves marinas. La sal se extrae hacia el exterior de la hoja en forma de pequeños cristales , que luego caen de ella.

Los sauces y los juncos absorben la sal y otros contaminantes, desalinizando eficazmente el agua. Esto se utiliza en humedales artificiales construidos para el tratamiento de aguas residuales . ^{[ 224 ]}

Sociedad y cultura

A pesar de los problemas asociados con los procesos de desalinización, el apoyo público a su desarrollo puede ser muy alto. ^{[ 225 ]}^{[ 226 ]} Una encuesta realizada en una comunidad del sur de California mostró que el 71,9 % de los encuestados apoyaba el desarrollo de una planta desalinizadora en su comunidad. ^{[ 226 ]} En muchos casos, la alta escasez de agua dulce se corresponde con un mayor apoyo público al desarrollo de la desalinización, mientras que las áreas con baja escasez de agua tienden a tener menos apoyo público a su desarrollo. ^{[ 226 ]}

Véase también

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Enlaces externos

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[mwCC8] En su Hexamerón , Homilía IV, § 7, San Basilio de Cesarea (c. 329-379 d. C.) mencionó que los marineros producían agua dulce mediante destilación. San Basilio con la hermana Agnes Clare Way, trad., Homilías exegéticas de San Basilio (Washington, DC: The Catholic University of America Press, 1963), pág. 65. De la pág. 65: «Además, es posible ver a los marineros hervir el agua del mar, quienes, recogiendo los vapores con esponjas, alivian bastante bien su sed en momentos de necesidad».

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