El avance en la ósmosis inversa puede conducir a la desalinización de agua de mar con mayor eficiencia energética hasta la fecha

(Noticias de Nanowerk) La producción de agua dulce a partir del agua de mar suele requerir una gran cantidad de energía. El proceso más extendido de desalinización se llama ósmosis inversa, que funciona haciendo fluir agua de mar sobre una membrana a alta presión para eliminar los minerales.

Ahora, los ingenieros de la Universidad de Purdue han desarrollado una variante del proceso llamado "ósmosis inversa por lotes", que promete una mejor eficiencia energética, equipos más duraderos y la capacidad de procesar agua con una salinidad mucho más alta. Podría terminar marcando la diferencia en la seguridad del agua en todo el mundo.

La ósmosis inversa se utiliza en muchos países; en lugares áridos como el Medio Oriente, más de la mitad del suministro de agua potable proviene de instalaciones de desalinización. Pero para mantener el alto nivel de presión requerido para el proceso, hasta 70 veces la presión atmosférica, una planta desalinizadora debe emplear una gran cantidad de bombas y otros equipos. Y eso consume mucha energía.

“Aproximadamente un tercio del costo de por vida de una planta desalinizadora es energía”, dijo David Warsinger, profesor asistente de ingeniería mecánica de Purdue. “Incluso pequeñas mejoras en el proceso (unos pocos puntos porcentuales de diferencia) pueden ahorrar cientos de millones de dólares y ayudar a mantener el CO2 fuera de la atmósfera”.

Durante su trabajo de doctorado en el MIT, Warsinger desarrolló por primera vez la idea de "ósmosis inversa por lotes". En lugar de mantener un flujo constante de agua de mar a esos niveles de alta presión, un proceso por lotes toma una cantidad determinada de agua a la vez; lo procesa; lo descarga; y luego repite el proceso con el siguiente lote.

"Cada lote se ejecuta durante aproximadamente uno o dos minutos", dijo Warsinger. "Aumentamos la presión con el tiempo, reducimos el volumen con el tiempo y terminamos usando mucha menos energía para producir la misma cantidad de agua dulce".

Los estudiantes de posgrado Abhimanyu Das (izquierda) y Akshay Rao ajustan un tanque de pistón, el componente clave de un nuevo proceso de desalinización llamado "ósmosis inversa por lotes de doble acción". (Imagen: Jared Pike, Purdue University)

Aunque algunas plantas desalinizadoras han intentado utilizar técnicas de semicontactos, ninguna ha implementado nunca un sistema de lotes completo, en parte debido a los intervalos de tiempo entre lotes.

“Se necesita tiempo y energía para bombear cada lote de agua y luego bombear el siguiente lote de agua para procesarlo”, dijo Warsinger. “Gastar ese tiempo y energía generalmente anula las ganancias de eficiencia que obtendría al utilizar el proceso por lotes. Es por eso que desarrollamos una solución llamada 'ósmosis inversa por lotes de doble acción' ”.

Pistón de doble función

Este nuevo proceso utiliza un tanque de pistón, un recipiente de alta presión con un pistón en el medio. Mientras que un lado del pistón envía agua de mar hacia el circuito de procesamiento, el otro lado del pistón se llena simultáneamente con el siguiente lote de agua de mar en la cola. Cuando finaliza un proceso por lotes, el pistón inyecta sin problemas el siguiente lote de agua de mar en el sistema mientras simultáneamente llena su otro lado con el siguiente lote de agua de mar en la cola, y el proceso se repite continuamente.

"En lugar de vaciar completamente el pistón cada vez o usar algún otro líquido o gas para presurizar el pistón, lo estamos llenando con el siguiente lote de agua de mar", dijo Warsinger. “Entonces, en lugar de que un lado del pistón sea esencialmente un espacio muerto, estamos usando el agua de mar para obtener una doble función de este pistón, por lo que casi no hay tiempo de inactividad.

“Según nuestros modelos, este sistema propuesto ofrece el consumo de energía más bajo para la desalinización de agua de mar. Es el mejor hito de su clase ".

Su investigación ha sido publicada enDesalinización (GG quot; Configuración de ósmosis inversa por lotes de doble acción para la mejor eficiencia de su clase y bajo tiempo de inactividad").

“El tiempo de inactividad es algo que realmente se debe evitar”, dijo Sandra Córdoba, estudiante de maestría en ingeniería mecánica de Purdue y primera autora del artículo. “Si tiene que reparar el sistema después de cada ciclo, pierde toda su eficiencia energética. Reducir o eliminar ese tiempo de inactividad es la clave que hace que la ósmosis inversa por lotes sea factible ".

Córdoba también desarrolló los modelos hidráulicos teóricos utilizados en el artículo.

“La ósmosis inversa es un proceso complejo”, dijo Córdoba. “Para medir su éxito, es necesario realizar un seguimiento de muchas variables: presión del agua, volumen, salinidad, índice de recuperación, tiempo y energía. Con estos modelos, pudimos determinar la cantidad correcta de presión a lo largo del tiempo para lograr los mejores resultados utilizando la mínima cantidad de energía ".

¿Qué tan grande es el tanque del pistón? Depende del tamaño del sistema.

"La ósmosis inversa funciona en una amplia gama de escalas", dijo Warsinger. “Los hogares en la India a menudo tienen un sistema de micro ósmosis inversa para su propia casa, donde se puede tener en las manos. Para nuestros experimentos, hemos construido un sistema modelo en el que el tanque de pistón tiene aproximadamente el tamaño de un extintor de incendios. En una planta a gran escala, podría tener treinta metros de largo. Pero la belleza de esto es que no es un equipo complejo; es esencialmente una tubería, con un pistón hermético en el medio. Pero ese tanque de pistón lo cambia todo ".

El laboratorio de Warsinger ha utilizado este desarrollo de lotes de doble acción para impulsar varios avances nuevos en la desalinización. Abhimanyu Das, un Ph.D. de Purdue. estudiante de ingeniería mecánica, ha publicado una investigación que describe una variante del proceso llamado "ósmosis inversa de contraflujo por lotes". Al recircular ciertas concentraciones de agua en ambos lados de la membrana, se demuestra que el proceso de Das es el proceso de desalinización con mayor eficiencia energética para agua de alta salinidad, mientras que requiere menos componentes. Y el estudiante de maestría de Purdue, Michael Roggenburg, ha publicado una investigación que muestra que una combinación de ósmosis inversa por lotes y energía renovable posiblemente podría entregar agua dulce a toda la frontera de 1,954 millas entre los EE. UU. Y México.

“La seguridad del agua es un gran problema en todo el mundo, en el que he trabajado toda mi carrera”, dijo Warsinger. “Estos resultados con la ósmosis inversa por lotes son realmente emocionantes. Si reducimos el costo solo un poco, la desalinización se convierte en una opción viable para más lugares. Podría ser transformador ".