La desalinización por TSSE es radicalmente diferente de los métodos convencionales
La seguridad del agua se está convirtiendo en un desafío global urgente. Cientos de millones de personas ya viven en regiones con escasez de agua, y la ONU proyecta que para el año 2030 aproximadamente la mitad de la población mundial vivirá en áreas con alto estrés hídrico.
Esta será una crisis incluso para países desarrollados como los EE. UU., donde los administradores de agua en 40 estados esperan escasez de agua dulce en los próximos 10 años. A medida que crezca la población mundial y el PIB, también lo hará la demanda de agua dulce. Y, con la continua subida de las temperaturas globales, solo empeorará la escasez de agua.
Los procesos de desalinización se utilizan cada vez más para aumentar el suministro de agua. De hecho, se prevé que la capacidad de desalinización global se duplique entre 2016 y 2030. Pero estos procesos son caros y pueden ser perjudiciales para el medio ambiente.
Las salmueras de ultraalta salinidad que son el subproducto de la desalinización pueden ser varias veces mayores que la salinidad del agua de mar y sus opciones de manejo son especialmente difíciles para las instalaciones de desalinización interior, como las de Arizona, California, Florida y Texas.
Durante el año pasado, los investigadores de Columbia Engineering han estado refinando su enfoque de desalinización no convencional para las salmueras hipersalinas (extracción con solvente de variación de temperatura (TSSE)), lo que muestra una gran promesa para un uso generalizado. La TSSE es radicalmente diferente de los métodos convencionales porque es una técnica basada en extracción con solventes que no utiliza membranas y no se basa en el cambio de fase por evaporación: es efectiva, eficiente, escalable y sustentable.
En un nuevo artículo, publicado en línea el 23 de junio en Environmental Science & Technology, El equipo informa que su método les ha permitido lograr una descarga de cero líquido (ZLD) energéticamente eficiente de salmueras de ultraalta salinidad, la primera demostración de TSSE para la desalinización ZLD de salmueras hipersalinas.
"La descarga de cero líquidos es la última frontera de la desalinización", dice Ngai Yin Yip, profesor asistente de ingeniería ambiental y de la tierra que dirigió el estudio. "Evaporar y condensar el agua es la práctica actual de ZLD, pero consume mucha energía y es muy costosa. Pudimos lograr ZLD sin hervir el agua: este es un avance importante para desalinizar las salmueras de ultraalta salinidad que demuestra cómo nuestra técnica TSSE puede ser una tecnología transformadora para la industria mundial del agua".
El proceso TSSE de Yip comienza con la mezcla de un solvente de baja polaridad con la salmuera de alta salinidad. A bajas temperaturas (el equipo usó 5°C), el solvente TSSE extrae agua de la salmuera pero no las sales (que están presentes en la salmuera como iones). Al controlar la proporción de solvente a salmuera, el equipo pudo extraer toda el agua de la salmuera al solvente para inducir la precipitación de sales, después de que todo el agua es "succionada" en el solvente, las sales forman cristales sólidos y caen al fondo, que luego se pueden tamizar fácilmente.
Después de que los investigadores separan las sales precipitadas, calientan el solvente cargado de agua a una temperatura moderada de alrededor de 70°C. A esta temperatura más alta, disminuye la solubilidad del solvente para el agua y el agua es expulsada del solvente, como una esponja. El agua separada forma una capa debajo del solvente y tiene mucha menos sal que la salmuera inicial. Se puede extraer fácilmente y el disolvente regenerado se puede reutilizar para el próximo ciclo de TSSE.
"No esperábamos que TSSE funcionara tan bien como lo hizo", dice Yip. "De hecho, cuando discutíamos su potencial para ZLD, pensamos todo lo contrario, que el proceso probablemente cedería en algún momento cuando haya demasiada sal para que siga funcionando. Así que fue una feliz sorpresa cuando convencí al investigador principal, Chanhee Boo, de que lo intentara, por el gusto de hacerlo, un viernes por la tarde y obtuvimos excelentes resultados".
Con una alimentación de salmuera simulada (preparada en laboratorio) de 292.500 partes por millón de sólidos disueltos totales, el grupo de Yip pudo precipitar más del 90% de la sal en la solución original. Además, los investigadores estimaron que el proceso utilizó solo alrededor de una cuarta parte de la energía requerida para la evaporación del agua, un ahorro de energía del 75% en comparación con la evaporación térmica de la salmuera. Reutilizaron el solvente durante varios ciclos sin pérdida notable en el rendimiento, lo que demuestra que el solvente se conservó y no se gastó durante el proceso.
Luego, para demostrar la aplicabilidad práctica de la tecnología, el equipo tomó una muestra de campo de salmuera de alta salinidad, el concentrado de agua de drenaje de riego en el Valle Central de California, donde el agua de drenaje de riego es difícil y costosa de tratar, y logró ZLD con TSSE.
Los métodos de destilación convencionales requieren vapor de alto grado y con frecuencia se complementan con electricidad para alimentar las bombas de vacío. Debido a que TSSE requiere solo entradas de temperatura moderada, la energía térmica de bajo grado necesaria puede provenir de fuentes más sostenibles, tales como calor residual industrial, geotermia de pozos poco profundos y colectores solares de baja concentración.
"Con el solvente y las condiciones de temperatura adecuadas, podemos proporcionar opciones de gestión de concentrados rentables y ambientalmente sostenibles para las instalaciones de desalinización interior, utilizando agua subterránea salobre para aliviar el actual y futuro estrés hídrico", señala Yip.
Además de gestionar los concentrados de desalinización en el interior, la TSSE también se puede utilizar para otras salmueras de alta salinidad, incluido el flujo de retorno y el agua producida a partir de la extracción de petróleo y gas, las corrientes de residuos de las estaciones de energía eléctrica impulsadas por vapor, las descargas de instalaciones de carbón a químicos y lixiviados de vertederos.
El grupo de Yip continúa investigando los mecanismos de trabajo fundamentales de TSSE, para diseñar mejoras adicionales en su rendimiento. Este trabajo incluye pruebas adicionales con muestras reales del campo, así como la optimización del proceso general.
El estudio se titula "Zero Liquid Discharge of Ultrahigh Salinity Brines with Temperature Swing Solvent Extraction".
