Investigadores desarrollan una nueva forma de crear más agua con menos energía, gracias a la sincronización inteligente.

Con escasez de agua afectando a casi 2 billones de personas, muchos de las cuales viven cerca de los océanos — «agua, agua por todas partes y ni una gota para beber» se ha convertido en un grito común no solo para los marineros más díscolos.


 Uno de los diseños propuestos por lotes utiliza a un intercambiador de presión para recuperar energía. Crédito: David Warsinger y Emily Tow

La desalación por ósmosis inversa (RO) durante mucho tiempo ha ofrecido una solución para ayudar a satisfacer las necesidades de agua global ante el crecimiento de la población, el desarrollo y el cambio climático. Sin embargo, eliminar la sal del agua es intensiva en energía.

 

Un equipo de investigadores del MIT ha respondido creando nuevos diseños para la desalación de la ósmosis inversa que supera significativamente la eficiencia energética de las técnicas de vanguardia. En lugar de la operación estándar de flujo continuo, sus dos configuraciones propuestas varían la salinidad de un volumen fijo de agua con el tiempo, esencialmente proporcionando desalinización en "lotes". Este enfoque de lote podría reducir sustancialmente el uso de sistemas de desalinización futuros.

El equipo es codirigido por dos ingenieros mecánicos del MIT, el candidato a doctor Emily Tow y postdoc David Warsinger y también incluye al estudiante de doctorado del MIT Kishor Nayar, al estudiante de la Universidad de Stanford Laith Maswadeh 15 y John H. Lienhard, el Abdul Latif Jameel y profesor de agua en el MIT. El estudio fue publicado en el diario Water Research y presentado en el taller 9no de desalación internacional celebrado en Abu Dhabi esta semana, donde Warsinger ganó el Premio de presentación Oral de su charla sobre el trabajo del equipo.

"En los tradicionales sistemas de RO," explica Warsinger, "todo el sistema se mantiene en una constante, de alta presión para poder alcanzar el nivel deseado de recuperación de agua." Específicamente, el agua salina (la solución de alimentación) se bombea a través de una membrana que pasa agua pero bloquea la sal y otras impurezas. Como el agua penetra a través de la membrana la solución de alimentación se vuelve más concentrada. Debido al ósmosis, la presión adicional es necesaria para forzar el agua fuera de una solución más concentrada.

"El diseño de semi-lote comercialmente disponible, llamado ósmosis inversa de circuito cerrado o CCRO, recicla el concentrado en la corriente de alimentación, por lo que la solución de alimentación se vuelve concentrada en el tiempo, y la presión en el sistema puede ser aumentada gradualmente según sea necesario," Warsinger agrega.

Un diseño totalmente por lotes, según lo propuesto por el equipo, tiene el potencial para impulsar la eficiencia aún más mediante el uso de un tanque cerrado de alimentación para reducir la cantidad de la mezcla entre el reciclado concentrado y la alimentación. "Mezclando causas de generación de entropía, que es el enemigo de la eficiencia. Nuestro modelo muestra cómo un reducido lote de mezcla RO mejora la eficiencia energética en CCRO en un 20 por ciento,"dice Tow. "En comparación con los sistemas convencionales de RO, la configuración por lotes ofrece hasta ahorros de energía de 64 por ciento."

La candidata a PhD  Emily Tow (izquierda) y el PostDocs David  Warsinger Co condujeron un estudio proponiendo nuevos diseños para la desalación del ósmosis inversa que superan significativamente la eficiencia energética de las técnicas de vanguardia. Un prototipo experimental está detrás de ellos. Fotografía: John Freidah/Departamento de ingeniería mecánica
 

El truco es en el momento. La configuración propuesta puede subir en rampa la presión con el tiempo a seguir precisamente la presión osmótica de un lote de concentración de agua salada. Para conservar la energía, la primera configuración utiliza parte del módulo RO como un tanque de almacenamiento, mientras que la otra configuración utiliza  un intercambiador de presión para almacenamiento de agua salada a la presión atmosférica.

"El sistema de lote empieza con una cantidad fija de solución en un tanque de  circulación y pasa varias veces a través de las membranas RO para recoger agua limpia", dice Warsinger. "Con cada paso, la concentración de la solución restante aumenta y la presión del sistema para que coincida con su presión osmótica. Este aumento gradual elimina el exceso de energía necesario para mantener la totalidad de un sistema continuo a alta presión."

Con sentido práctico en mente, los diseños del equipo evitan el uso de un tanque a presión de circulación. Aprovecha un diseño de un intercambiador de presión rotatorio para presurizar el agua salada que fluye en la membrana de ósmosis inversa para despresurizar la salmuera concentrada para que pueda salir del módulo. Un diseño alternativo de las bombas se impregnan en una vejiga flexible dentro del recipiente del reactor que contiene las membranas, eliminando la necesidad de un intercambiador de presión y permitiendo la operación en pequeña escala.

"La energía necesaria para la desalación de agua de mar se ha reducido por un factor de cuatro en las últimas tres décadas a través de avances en diseños de membrana, acercando el mínimo termodinámico para una convencional continua ósmosis inversa y dispositivos de recuperación de energía", dice Richard L. Stover, un veterano de la industria de agua con 25 años de experiencia comercial y técnica y director de la Asociación Internacional de desalación.

"Sin embargo, recientes investigaciones y pruebas de campo han demostrado que procesos por lote y por semi-lotes tienen el potencial para proporcionar ahorro energético adicional de hasta un 25%. Además, estos nuevos procesos pueden utilizar avanzadas membranas de alta permeabilidad, como el grafeno, mejor de lo que pueden los procesos continuos, proporcionando ahorro de energía adicional. Por estas razones y más, los procesos por lotes y semi-lotes son el futuro de RO."

Los autores han solicitado patentes sobre sus sistemas de lote y ver posibles aplicaciones para la industria en un futuro cercano. Así como de ahorro energético en grandes instalaciones, el diseño más eficiente y de bajo mantenimiento puede ser muy útil para sistemas de menor escala en áreas fuera de la red y podría funcionar con generadores portátiles o energía solar.