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Ingeniería hídrica

Para extraer la sal del agua

El gobierno del estado de Ceará estudia la construcción de la primera gran central de desalinización del país, mientras se investigan nuevas tecnologías en Brasil y en el exterior destinadas a bajar los costos del proceso

James Grellier/ Wikimedia Commons Una central de desalinización por ósmosis reversa en Barcelona, EspañaJames Grellier/ Wikimedia Commons

Ceará, uno de los estados brasileños que más padecen la falta de lluvias y la escasez hídrica, se apresta a construir la mayor central de desalinización de agua marina del país. Cuando esté listo ese emprendimiento, cuyo proyecto se puso en marcha en el año 2016, hará las veces de refuerzo del sistema de abastecimiento de la capital del estado, la ciudad de Fortaleza, y de las localidades del área metropolitana, un conglomerado urbano donde viven más de 4 millones de personas. La estatal Compañía de Agua y Alcantarillado de Ceará (Cagece, en portugués), la empresa de saneamiento responsable del proyecto, espera que el pliego de licitación salga a concurso durante este mismo semestre. Los estudios técnicos, operativos, ambientales y económicos que se están utilizando para elaborar la convocatoria pública los llevó a cabo un consorcio encabezado por el grupo GS, de Corea del Sur.

El superintendente de sostenibilidad de Cagece, Ronner Gondim, explica que la construcción de la planta, con previsión de empezar a operar en 2022, se hará a partir de una asociación público-privada (PPP, en portugués), cuya descripción estará definida en el pliego. El lugar donde se la emplazará aún no está definido, pero se está evaluando la playa de Mucuripe, cercana al puerto de Fortaleza. La central que se está proyectando producirá 1 metro cúbico (m3) de agua por segundo (el equivalente a mil litros. El Área Metropolitana de Fortaleza consume 8 m3 por segundo. “Dispondremos de un aumento del 12% en la oferta de agua para la región, suficiente para abastecer a alrededor de 720 mil personas”, destaca. El costo estimado del proyecto gira en torno a 480 millones de reales.

“La empresa adjudicataria asumirá la construcción de la usina y tendrá los derechos para su operación durante 30 años”, dice Gondim. El gobierno cearense estipulará una tarifa máxima por litro de agua desalinizada. El ganador de la licitación será aquél que ofrezca la menor tarifa. Actualmente, el costo promedio estipulado por Cagece para tratar 1 m3 de agua dulce se ubica en torno a un valor de 3 reales. El costo promedio del agua desalinizada en el mundo arranca en 2 dólares (alrededor de 8 reales) el metro cúbico, dependiendo del proceso que se utilice.

Se espera que la nueva central extraiga la sal del agua marina mediante el empleo de la técnica de ósmosis inversa, aunque la decisión final le corresponderá al adjudicatario de la licitación. Ese es el método de desalinización más barato y el más utilizado en todo el mundo. En el mismo, una bomba de alta presión fuerza al agua a pasar por membranas poliméricas con orificios minúsculos, que retienen las sales. El gasto energético de ese proceso llega a 4 kilovatios-hora (kWh) por m3 de agua purificada. La tecnología representa el 84% del total de operaciones de desalinización en el mundo. Uno de los pioneros en el uso de este sistema es Israel. En ese país, cada año se transforman 600 millones de m3 de agua de mar en agua potable, que cubren las necesidades de 6,5 millones de personas, alrededor del 75% de la población israelí.

En todo el planeta actualmente se encuentran funcionando 15.900 plantas de desalinización, con capacidad para purificar alrededor de 95 millones de m3 de agua por día, según un estudio publicado en el mes de diciembre de 2018 en la revista Science of the Total Environment. Esas usinas están ubicadas principalmente en Oriente Medio, en el norte de África, Estados Unidos, China y Australia. En Europa, el principal país que utiliza esa tecnología es España. La planta de Barcelona, en la costa del Mediterráneo, con capacidad para procesar 2,3 m3 de agua por segundo es una de las principales del continente.

Costo y obstáculos
Entre los países que más apelan a esta tecnología para producir agua potable a partir del agua del mar figuran Arabia Saudita y Emiratos Árabes Unidos. La mayor central del mundo, la de Ras Al-Khair, con una producción de 1 millón de m3 de agua por día (11,5 m3 por segundo), está ubicada en Arabia Saudita. La técnica más usual que utilizan allá es la desalinización térmica, en la cual el agua salada se almacena en tanques calefaccionados. Cuando el agua se evapora se acumula en la parte superior del reservorio y, al condensarse, se transforma en agua pura, sin sales.

Uno de los inconvenientes de la desalinización térmica es la elevada demanda de energía, que puede llegar a 15 kWh/m3. La principal fuente de energía térmica empleada para ese proceso son los combustibles fósiles, tales como el petróleo y el gas, abundantes en aquella región. El costo de la desalinización térmica es alrededor de tres veces mayor que el de la técnica de ósmosis inversa, y llega a alrededor de 6 dólares por m3 de agua tratada.

Científicos de diversos países estudian nuevos sistemas de desalinización más eficientes y económicos. El alto consumo de energía es el principal escollo para la adopción de la desalinización a gran escala, sobre todo en los países en desarrollo. Una de las nuevas tecnologías en estudio es la desionización capacitiva, un proceso electroquímico que retiene los iones del agua en el momento en que ella pasa entre dos electrodos porosos de carbono eléctricamente cargados. “La desionización capacitiva aún se encuentra en desarrollo, pero se ha mostrado prometedora. En el caso de la desalinización de aguas salobres, es incluso más barata que la ósmosis inversa”, dice el ingeniero químico Luís Augusto Martins Ruotolo, del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar). En todo el mundo, los principales grupos que se dedican a esa técnica se encuentran en la Universidad Stanford, en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), todos ellos en Estados Unidos, y en el Centro Europeo de Excelencia en Tecnologías para Agua Sostenible (Wetsus), en Holanda.

Según Ruotolo, la ventaja principal de ese sistema reside en que, al contrario de la ósmosis inversa, no se necesitan presiones elevadas para el funcionamiento del dispositivo. “Eso implicaría una disminución de la demanda energética y de los costos operativos”, explica. En Brasil, el grupo de Ruotolo concibió un proceso de desionización capacitiva a base de carbón activado con poros nanométricos.

Otra estrategia que viene adquiriendo relevancia es el uso de membranas elaboradas con óxido de grafeno, caracterizadas cómo láminas de carbono de espesor atómico, en sistemas de ósmosis reversa. La idea es utilizarlas como criba para retener la sal del agua marina o salobre, tal como ocurre en los casos de los pozos perforados en el semiárido brasileño. Se estima que su empleo reducirá hasta en un 50% el gasto energético para bombear el agua por los filtros. Eso ocurre porque hay menos fricción cuando se fuerza el paso del agua salada por las membranas de grafeno en comparación con las tradicionales de polímero.

Científicos de todo el mundo se encuentran abocados al estudio de esa tecnología. En Brasil, investigadores de las universidades Estadual de Paraíba (UEPB), Federal de Rio Grande do Norte (UFRN) y Federal de Paraíba (UFPB) trabajan en la creación de membranas nanoestructuradas de grafeno para desalinizar el agua salobre. Más allá de la reducción del costo, otra ventaja de este método radica en que los filtros de grafeno no necesitan limpieza con tanta frecuencia como los filtros de las membranas de ósmosis inversa. El grafeno también es inmune a los efectos del cloro que se utiliza durante el proceso de limpieza y reduce la integridad estructural de las membranas poliméricas, requiriendo su reemplazo con mayor frecuencia.

Marcelino Lourenço Ribeiro Neto/ Embrapa Semiárido Riego de una plantación en el semiárido nordestino con desechos del proceso de desalinizaciónMarcelino Lourenço Ribeiro Neto/ Embrapa Semiárido

La desalinización en Brasil
La usina de desalinización será la mayor, aunque no la primera que opera en Brasil. Desde hace casi dos décadas, el archipiélago de Fernando de Noronha dispone de un pequeño sistema de desalinización con capacidad para producir alrededor de 720 m3 de agua por día. La producción suministra el 40% de la demanda hídrica del archipiélago. El resto se completa con el agua de lluvia. Algunas comunidades del semiárido brasileño también cuentan con la ayuda de desalinizadores para adecuar para el consumo humano el agua salobre extraída de pozos artesianos. “Todos utilizan el método de ósmosis inversa”, explica la ingeniera química Weruska Brasileiro Ferreira, del Departamento de Ingeniería Sanitaria y Ambiental de la UEPB.

La distribución y la instalación de esos dispositivos viene siendo hecha por varias instituciones desde la década de 1990. A partir de 2011, el gobierno federal desarrolló una metodología para darle soporte al Programa Agua Dulce que incorpora asistencia técnica, social y ambiental con miras a una mayor sostenibilidad en el funcionamiento de los sistemas de desalinización, que benefician a alrededor de 240 mil personas en 174 municipios.

Según el ingeniero civil Alexandre Saia, coordinador de desalinización del Ministerio de Desarrollo Regional, el costo promedio de la instalación de desalinizadores en el sertón nordestino es de 278 mil reales por unidad. Cada equipo produce 4 m3 de agua por día, atendiendo las necesidades de 400 personas. Sin embargo, muchos de los sistemas instalados en el semiárido se encuentran abandonados debido a la falta de recursos de los gobiernos municipales para mantenerlos en forma adecuada.

El ingeniero industrial Antonio Santos Sánchez, de la Escuela Politécnica de la Universidad Federal de Bahía (UFBA), explica que el mantenimiento requiere principalmente del recambio y limpieza de las membranas que retienen las sales, cuya vida útil es de cinco a nueve años. “Sin una limpieza adecuada, la durabilidad del sistema se reduce”, subraya. El costo anual de mantenimiento gira en torno a unos 18 mil reales, según informa la coordinación del Programa Agua Dulce.

Las membranas que se utilizan en Brasil son fabricadas por la compañía estadounidense Dow Chemical. Se trata del mismo material que emplean los desalinizadores de Israel. Lo que cambia es la cantidad de energía requerida por el sistema y el tipo de membrana que se utiliza en el proceso. La concentración de sales en el agua del mar es mucho mayor que en la de los pozos del semiárido, lo que exige un gasto mayor de energía y mayor cantidad de membranas para desalinizarla. Cada litro de agua de mar posee más de 30 mil miligramos  (mg) de sal. En tanto, el agua de los pozos del semiárido tiene una concentración a partir de 5 mil mg de sal por litro, pudiendo llegar a 18 mil mg. El valor que la Organización Mundial de la Salud (OMS) considera adecuado para el consumo humano varía entre 250 y 500 mg por litro.

“Cada 2 mil litros de agua salobre que pasan por el desalinizador rinden mil litros de agua potable y otros mil litros de agua muy salada, que se desecha”, dice el científico de los alimentos Ângelo Paggi Matos, del Departamento de Ciencia y Tecnología de Alimentos de la Universidad Federal de Santa Catarina (UFSC). Su descarte constituye uno de los problemas asociados a la desalinización en el país.

En las centrales que procesan agua de mar, los desechos, o sea la concentración salina, se devuelven al océano. En tanto, en aquellas que operan en el semiárido, el descarte inadecuado puede afectar la calidad del suelo, tornándolo improductivo. Para soslayar ese problema, el Programa Agua Dulce implementó tanques para acumular el concentrado. Por medio de un convenio con la estatal Empresa Brasileña de Investigación Agropecuaria (Embrapa) Semiárido, con sede en la localidad de Petrolina (estado de Pernambuco), se adoptaron estrategias para la reutilización de esos desechos en la producción de peces tales como la tilapia y para el riego de plantines de especies vegetales forrajeras propias de la Caatinga, tales como el tiple (Atriplex nummularia) conocida popularmente en Brasil como erva-sal, que se emplea para el pastoreo del ganado caprino y ovino.

El gobierno brasileño crea un centro de investigación para el sector
La institución evaluará el desempeño de los desalinizadores que se usan en el país

Con el objetivo de impulsar el desarrollo y el uso de desalinizadores en Brasil, el gobierno federal anunció en enero de este año la creación del Centro de Test de Tecnología de Desalinización (CTTD), cuya sede será el Instituto Nacional del Semiárido (Insa), en Campina Grande, en el estado de Paraíba. Ese instituto es una de las unidades de investigación del Ministerio de Ciencia, Tecnología, Innovación y Comunicaciones (MCTIC). La creación del CTTD fue una de las 35 metas prioritarias de la administración federal para los primeros 100 días de gobierno. Los investigadores del nuevo organismo también cuentan con la infraestructura del Laboratorio de Referencia en Desalinización de la Universidad Federal de Campina Grande (UFCG).

“El objetivo de este centro consiste realizar una evaluación del grado de madurez tecnológica de los desalinizadores en funcionamiento en el país y de los dispositivos que aún se encuentran en etapa de desarrollo”, dice el ingeniero agrícola Salomão Medeiros, director del Insa. “Eso se llevará a cabo por medio de pruebas de eficiencia de los dispositivos y mediante la evaluación de la calidad de la desalinización, gasto de energía, costo de mantenimiento, entre otros parámetros”. Para ello, el gobierno emitió una convocatoria pública para las empresas interesadas en enviar sus sistemas para la evaluación del desempeño. Por el momento, fueron seleccionadas siete empresas, todas brasileñas.

Medeiros aclara que el gobierno todavía no anunció el monto total que le asignará al nuevo emprendimiento, que comenzó a funcionar en abril. La iniciativa también busca promover el intercambio de conocimiento al respecto de la desalinización entre los científicos brasileños e israelíes. “El dominio de esa tecnología es estratégico para cualquier país, incluso para aquellos que disponen de agua en abundancia, como es el caso de Brasil”, enfatiza el director del Insa.

Proyecto
Desalinización por desionización capacitiva: Desarrollo de nuevos electrodos y optimización del proceso (nº 15/16107-4); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Luís Augusto Martins Ruotolo (UFSCar); Inversión R$ 228.804,27

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