Diseño de Agua de Mar por Ósmosis

Introducción

El hombre ha navegado los mares y océanos durante siglos, y uno de sus temores en altamar ha sido el de morir de sed. A los navegantes les parecía una contradicción sufrir la falta de agua estando rodeados de ella, por lo que siempre se han preguntado cómo adaptarla a sus necesidades. A lo largo de la historia se han ido desarrollando diferentes técnicas para tratar las aguas salobres y el agua de mar, pero su aplicación en el suministro de agua potable en las embarcaciones marítimas no era del todo efectiva hasta hace poco.

Esto hacía imprescendible el transporte de agua potable a bordo, lo que supone una serie de problemas. Antiguamente, las naves partían cargadas de agua potable pero esta sufría una deterioración a los pocos días debido a la falta de recipientes adecuados. Este problema se solucionó con el desarrollo de recipientes que conservaban mejor el agua, como ánforas de barro o botas de madera cubiertas con materiales especiales. 

Actualmente se hace uso de tanques más modernos, normalmente integrados en el barco, pero que suponen una importante carga a bordo y ocupan mucho espacio. En los últimos años, las técnicas de desalinización se han ido haciendo más efectivas, culminando hace poco con el descubrimiento del proceso de ósmosis inversa. Esto hizo que sea viable su aplicación a bordo de un barco, lo que nos permite navegar con más autonomía, seguridad y comodidad.

Objeto del proyecto

El objetivo del presente proyecto es diseñar una instalación desaladora de agua de mar que suministre agua potable a bordo de un buque de pesca. Primero se plantearán las diferentes técnicas de desalinización de hoy en día y se definirá el proceso de ósmosis inversa, así como los diferentes elementos involucrados. Será necesario estimar la cantidad de agua potable que demanda el buque y analizar los distintos factores que influyen en su producción. Mediante las ecuaciones que definen el proceso, se realizarán los cálculos necesarios para dimensionar los equipos que componen la instalación. Para concluir el proyecto, se analizará su impacto ambiental y su viabilidad económica.

Justificación

Las navegaciones marítimas largas hacen que sea imprescindible el suministro de agua potable a bordo de un barco. Dependiendo de las circunstancias, las personas necesitan una cierta cantidad diaria de agua para mantener un nivel óptimo de salud. Además, algunos buques de pesca de altura, requieren de una considerable producción diaria de hielo para la conservación del pescado mientras se encuentra faenando en altamar.

El presente proyecto está motivado en paliar los problemas que supone llevar el agua almacenada a bordo. Gracias al avance de las tecnologías de desalación, especialmente el proceso de ósmosis inversa, podemos obtener suministro de agua potable en un buque sin necesidad del almacenaje tradicional en tanques. Esta opción proporciona más autonomía y ahorro en espacio y peso. Además, la navegación se vuelve más cómoda y segura gracias al ilimitado suministro de agua fresca saludable.

Desarrollo

El agua potable

La superficie de nuestro planeta está cubierta alrededor de un 70% por agua, pero la mayor parte no es apta para el consumo humano. El 97% se encuentra en los mares y océanos y es agua salada. Tan sólo el 3% es agua dulce y se encuentra en su mayor parte en acuíferos profundos, en la humedad del suelo y atrapada en forma de hielo en los casquetes polares. Acerca del 1% del agua dulce se encuentra accesible en ríos, lagos y otros cuerpos superficiales de agua, aunque no toda es apta para el consumo humano.

Los estándares para definir el agua dulce pueden variar en cada país; sin embargo, el estándar empleado por la Organización Mundial de la Salud la define como una solución acuosa que contiene menos de 500 ppm partes por millón del T.S.D. Total de Sólidos Disueltos. El agua potable se puede considerar como agua dulce con las siguientes cualidades: inodora, incolora, insípida y libre de bacterias contaminantes.

De acuerdo con la OMS, se define agua potable a toda aquella que es apta para el consumo humano. Esto incluye no solo el agua para beber, sino para cocinar, asearse, lavar la ropa, usos hospitalarios, usos recreativos y limpieza. En la Unión Europea la normativa 98/83/EU establece valores máximos y mínimos para el contenido en minerales y diferentes iones, además de los gérmenes patógenos. Según lo definido en las Guías para la calidad del agua potable de la OMS, el agua potable no representará ningún riesgo significativo para la salud durante su consumo de por vida.

La desalinización, o desalación, es el proceso por el cual el agua de mar y las aguas salobres se convierten en agua apta para el consumo humano y uso industrial o agrícola, reduciendo el total de sólidos disueltos en ella. El agua de mar contiene alrededor de 35.000 ppm partes por millón de total de sólidos de disueltos, T.D.S. y las aguas salobres de 5.000 a 10.000 ppm de T.D.S. Según los estándar empleado por la Organización Mundial de la Salud, se considerará agua dulce a aquella que contenga menos de 500 ppm de T.D.S.

Evolución histórica de la desalinización

La desalación es una tecnología con una amplia historia. Sus primeras referencias datan de la época de la antigua Grecia donde genios como Tales de Mileto o Aristóteles abordaron temas relacionados con la naturaleza del agua de mar y la posibilidad de su desalación por filtración a través de la tierra. En la Edad Media, varios autores trataron el tema de la desalinización, como el doctor John Gaddesden que describió cuatro métodos para la desalación del agua marina en su tratado sobre medicina. 

En la edad moderna, debido a los descubrimientos geográficos y la expansión del comercio, la desalación experimentó un importante avance, sobre todo en el abastecimiento de los barcos. Con la llegada de la revolución industrial, se patentó y se construyeron las primeras torres de destilación de agua salina en Gran Bretaña y EE. UU. 

Aunque su uso industrial tuvo un lento desarrollo, los buques de la II Guerra Mundial ya contaban con instalaciones de desalación. En los años 60 se descubre el sistema de la ósmosis inversa, una técnica que revoluciona todo el proceso de la desalinización por su eficacia y alto rendimiento, por lo que es el más usado en el mundo hoy en día.

Procesos de desalinización

La desalinización puede efectuarse de diferentes maneras, siendo las más utilizadas a nivel mundial los procesos de destilación y el de ósmosis inversa. Existen varias variantes del proceso de destilación, pero todas se basan en el mismo principio de funcionamiento. Una determinada cantidad de agua salada se evapora para condensarse luego en agua dulce. 

El calor extraído en la condensación se aprovecha para calentar de nuevo el agua a destilar. El proceso se realiza en varias etapas, en cada una de las cuales se reduce la presión y la temperatura, lográndose concentración de la salmuera resultante. Los procesos más utilizados en la destilación son Evaporación Instantánea Multietapa, Evaporación Multiefecto y Compresión Mecánica de Vapor.

El proceso de ósmosis inversa surge a partir de la ósmosis natural. El fenómeno de ósmosis natural ocurre cuando, a través de una membrana semipermeable, el agua fluye desde la solución de menos salinidad hasta otra de mayor concentración de sales para así alcanzar el equilibrio.

La ósmosis inversa consiste en invertir este proceso natural, aplicando una presión en el lado de la solución con más sales, haciendo que el agua fluya desde la solución más concentrada a la solución más diluída. No fue hasta la década de los 80 en que apareció la primera membrana capaz de trabajar con esas concentraciones. A partir de entonces el método ha ido evolucionando y haciéndose más eficiente gracias a la mejora de membranas, la aplicación de pretratamientos y el desarrollo de equipos con mayor rendimiento.

En la Tabla 1 se muestra la energía requerida por cada proceso para obtener 1m3 de agua dulce. Los procesos de destilación M.S.F. y M.E.D. necesitan energía calorífica para calentar y evaporar el agua salada y energía eléctrica para accionar las bombas y el compresor que llevan a cabo el proceso. El proceso de ósmosis inversa no requiere de energía calorífica para efectuarse; tan sólo energía eléctrica para accionar las bombas que mueven el agua salada a las membranas.

Composición del agua salada

El agua de mar es una solución basada en agua que se caracteriza por la concentración de sales minerales disueltas que contiene. Las proporciones de los componentes del agua de mar son casi constantes en cualquier lugar del mundo, aunque en conjunto la concentración de todos ellos, conocida como salinidad, es enormemente variable según en qué lugares. 

En zonas con una evaporación más intensa propia de las latitudes tropicales o en lugares cálidos y con poca renovación de agua como el mar Mediterráneo, la salinidad es mayor que en lugares más abiertos como algunos océanos o zonas de desembocadura de ríos. La salinidad se puede estimar de forma sencilla mediante la medición un sólo parámetro. Algunos como la conductividad eléctrica o el índice de refracción del agua dependen directamente de la concentración de sales disueltos.

Contaminación del agua de mar

Acerca del 80% de la contaminación del ambiente marino proviene de los continentes. Mucha de esta contaminación es el resultado de la escorrentía de contaminantes que producen fuentes no puntuales como los gases de vehículos a motor o los desechos de las plantas industriales que se abren paso al mar a través de los aportes fluviales. También hay que tener en cuenta la contaminación proveniente del aire de la atmósfera o de las embarcaciones marítimas, que incide especialmente en aguas profundas. Los contaminantes que en mayor medida van a para al mar son los siguientes:

• Hidrocarburos.
• Materia orgánica, sustancias nutrientes y microorganismos aportados por las aguas residuales urbanas y ganaderas.
• Metales pesados.
• Compuestos organohalogenados.
• Sustancias sólidas.

Las diversas fases del proceso de desalación están muy condicionadas por la contaminación del agua de aporte, por lo que en un buque es fundamental conocer previamente la calidad de la zona. La franja litoral es la que soporta la mayor contaminación marina, aspecto a tener en cuenta en el tratamiento de agua a bordo de un buque de pesca de bajura.

En un buque de pesca de altura, como el caso de este proyecto, la captación se va a realizar en alta mar, alejada de las zonas costeras donde está la mayor parte de contaminantes. Ahí la presencia de hidrocarburos es la principal a tener en cuenta para tratar el agua de forma adecuada a bordo del buque.

Calidad del agua desalinizada

La calidad del agua desalinizada depende del uso que se le vaya a dar. En el caso de un buque pesquero será destinada principalmente al consumo humano y a la producción de hielo para conservación de pescado. Se podría aceptar un agua producida de menor calidad para el hielo u otros servicios tales como lavandería, cocina, etc. Pero otros sistemas de desalación, aparte del de ósmosis inversa o los generadores de agua dulce, no serían viables a bordo de un buque. Además la OMS recomienda que, en la medida de lo posible, se instale un único sistema de suministro para el agua que se va a beber y la destinada a otros fines.

El fenómeno de la ósmosis

La ósmosis es un fenómeno físico que se da cuando dos soluciones con concentraciones diferentes, se ponen en contacto a través de una membrana semipermeable, que permite el paso de disolvente a través de ella impidiéndoselo al soluto. Consiste en el movimiento del disolvente a través de la membrana, desde la solución con la menor concentración de soluto a la zona más concentrada. Este comportamiento supone una difusión simple, sin gasto de energía, que tiende a igualar la concentración de ambas soluciones. Este fenómeno de ósmosis ocurre de forma natural y tiene un papel crucial en el metabolismo celular de los seres vivos.

La difusión del agua se detiene cuando la presión generada por el aumento de nivel contrarrestasta la que tiende a hacer que el agua se difunda y pase a través de la membrana. Esta diferencia de alturas que existe entre los dos compartimentos al alcanzar el equilibrio se denomina presión osmótica. La presión ósmotica del agua pura se considera nula por convenio.

Definición del proceso industrial de ósmosis inversa

Considerando el sistema anterior, supongamos que se aplica una presión superior a la osmótica en el lado de mayor concentración. En ese caso, como muestra la Figura 4, se puede comprobar que la difusión del disolvente ocurre en sentido inverso siguiendo el soluto sin poder atravesar la membrana. A este fenómeno se le conoce como ósmosis inversa.

Para desarrollar el proceso industrial de ósmosis inversa, es necesario que una bomba envíe la solución a tratar a uno de los lados de la membrana semipermeable, manteniendo una elevada presión de forma permanente. Tanto la solución que atraviesa la membrana como la que es rechazada son evacuadas de sus compartimentos de forma continuada. El rechazo presentará una elevada concentración de sustancias disueltas, siendo baja la del producto permeado. El porcentaje de solución que es permeada está controlado por una válvula de regulación situada en la tubería de rechazo.

Módulos de ósmosis inversa

En la industria es necesario que las membranas se coloquen de tal forma que soporte las diferentes presiones de trabajo. Los módulos de ósmosis inversa se tratan de una agrupación de membranas, con una configuración determinada, que constituyen la unidad elemental de producción. Los principales objetivos que se persiguen en la fabricación de estos módulos son:

• Obtener el máximo rendimiento de las membranas.
• Conseguir un sistema lo más compacto posible.
• Minimizar los fenómenos de polarización de las membranas.
• Facilitar la sustitución de las membranas deterioradas.
• Mejorar la limpieza de las membranas sucias.

Con frecuencia los objetivos perseguidos son contrapuestos, por lo que el fabricante adoptará la solución técnica que haga más competitivo su producto. Las membranas de ósmosis inversa están diseñadas de tal forma que al integrarlas en los módulos se maximice el flujo de agua, minimizando las pérdidas de cargas. Se debe evitar la “polarización por concentración”, que se trata de la acumulación de sales sobre la superficie de la membrana, ensuciándolas y provocando bajos flujos y paso de sales.

 Módulos de placas

Fueron las primeras en usarse en la tecnología de ósmosis inversa. Las membranas están dispuestas a ambos lados de una placa por la que se recoge el permeado producido. Presentan una menor densidad de empaquetado de la membrana, lo que resulta en un mayor precio por módulo y las hace más caras en comparación con configuraciones más modernas. Aún se siguen utilizando en la industria alimentaria.

Módulos tubulares

En esta configuración las membranas están situadas dentro de un tubo de PVC que soporta la presión. La membrana es alimentada por su interior, obteniendo el permeado por la parte exterior de la misma. El tubo recoge ese permeado y lo deposita en el recipiente en el que va situado. Su densidad de empaquetamiento también es baja, encareciendo el precio del módulo.

Módulos de fibra hueca

Se tratan de un conjunto de fibras muy finas encapsuladas en una caja a presión. Esta es alimentada por el centro de uno de sus extremos y reparte el flujo de forma radial. De este modo el permeado penetra las paredes de las fibras y se recoge en el extremo opuesto de la caja de presión. Tienen la de empaquetado más alta de todas las configuraciones, lo que les proporciona una mayor producción por volumen de agua ocupado. No obstante, las posibilidades de obstrucción de la membrana son muy elevadas debido a que el paso a través de las fibras tan finas es más difícil, pudiendo reducir así el rendimiento de la misma. Son usadas en tratamientos de agua con un bajo contenido en sólidos suspendidos.

Módulos en espiral

Son el tipo más usado en las instalaciones actuales de ósmosis inversa. Se trata de una configuración en la que las membranas planas son enrolladas en espiral alrededor de un tubo central. Cada módulo consta de una membrana semipermeable doblada a la mitad de forma que la capa activa quede en su exterior. Entre las dos mitades se coloca un tejido provisto de diminutos canales de distribución para recoger el permeado que atraviese la membrana. El flujo es conducido en el tubo central y sale al exterior por uno de sus extremos. El agua de alimentación circula axialmente, de forma paralela al tuvo central. El rechazo sigue esta misma dirección hasta que abandona el tubo por el otro extremo.

Los módulos en esta disposición tienen tanto las alimentaciones y salidas de permeado y rechazo conectadas a cada una de las correspondientes tuberías generales, tal y como se muestra en la Figura 11. Este tipo de montaje se usa para producir un caudal «n» veces superior al suministrado por un módulo, siendo «n» el número de módulos instalados en paralelo.

 Las pérdidas de carga es la misma en todos los módulos, es decir, que el caudal de aporte de cada uno dependerá de su grado de atascamiento y del caudal de permeado que produzca. Por esa razón es importante que los módulos que trabajen en paralelo tengan un grado de envejecimiento similar, ya que se podrían producir desequilibrios en los flujos de cada uno, haciendo trabajar más a las membranas menos deterioradas.

Recirculación del rechazo

En esta agrupación se puede superar el porcentaje máximo de recuperación del 50% establecido para una única etapa. En ella se recurre a recircular todo o parte del rechazo mezclándolo con el agua de alimentación, como podemos ver en la Figura 14. Con este montaje puede alcanzarse altas conversiones y concentraciones en el rechazo muy superiores a las de la solución de aporte. Esta alternativa presenta un consumo específico de energía y una salinidad del permeado mayores en la de instalar dos etapas con rechazo en serie. Por esta razón solamente se utiliza cuando se busque concentrar la solución de aporte.

Ensuciamiento de las membranas

En una instalación de ósmosis inversa es fundamental que la solución que llegue a las membranas haya sufrido previamente un adecuado pre-tratamiento. Es necesario eliminar todas las sustancias que puedan depositarse sobre las membranas acarreando una disminución de la productividad y un aumento del paso de sales.

Las fuentes principales de ensuciamiento son las precipitaciones de sales o el depósito de partículas de gran tamaño. Existe un índice llamado SDI que estima el grado de ensuciamiento de las membranas debido a la contaminación del agua de aporte. Este valor se determina midiendo la caída de flujo en una membrana de 47mm de diámetro y con un tamaño de poro de 0,45 micras.

Conclusión

La instalación se realizará en la zona de popa de la sala de máquinas del buque. El proceso se inicia con la aspiración de agua de mar desde las tomas que posee el buque en la zona de popa. El agua que entra pasa por un filtro grueso inicial para evitar la entrada de objetos grandes, como pueden ser restos de conchas o algas. 

Una bomba centrífuga la bombea hasta el filtro de arena, donde se comienza el pretratamiento con el fin de eliminar los sólidos en suspensión que pueden dañar las membranas. Para asegurar un agua de aporte limpia en las membranas, es necesario disminuir el índice de ensuciamiento a 5. Para ello, continuando el pretratamiento, el agua será sometida a microfiltración utilizando dos filtros finos de cartucho.

Después del pretratamiento, se bombea a alta presión a la entrada de los módulos de ósmosis inversa, donde se producen dos corrientes: el permeado y el rechazo. El rechazo será devuelto al mar y el permeado se envía a un tanque donde será almacenado y clorado. Se dispondrá de un grupo de presión que enviará el permeado agua potable a los distintos puntos de servicio.