Culturilla general: desaladoras

Hace mucho que no escribía una entrada de divulgación científica. Quería hablar de los distintos tipos de desaladoras que existen; en general, de los métodos que se conocen para producir agua potable a partir del agua del mar.
El agua de mar tiene un problema: un altísimo contenido en sales. Dejando de lado los problemas que eso tiene para la industria (depósitos de sales en tuberías, corrosión de recipientes, precipitados inoportunos...), para la agricultura y el agua de boca es perjudicial porque su alto contenido salino la hace hipertónica* respecto de las células de los seres superiores. Así, hay dos formas de aprovechar esa agua: o bien cogemos agua de mar y extraemos agua con menos sales, o bien cogemos agua de mar y le quitamos las sales. Lo primero es considerablemente más frecuente, porque al fin y al cabo el agua de mar es muy rica en sales (aproximadamente 3500 ppm**, fundamentalmente iones cloruro, bromuro, sulfato, hidrógenocarbonato, fluoruro, sodio, magnesio, calcio, potasio y estroncio, y unas 3 ppm de ácido bórico molecular). Así, aunque retirar el agua es energéticamente caro, retirar las sales es termodinámicamente muy caro.

Los principales procesos basados en la extracción de agua son:

• Destilación: probablemente el más intuitivo. Colocamos agua de mar en un recipiente y la calentamos. Se desprende vapor de agua, tanto más rápidamente cuanto mayor sea la temperatura, pero las sales, que ebullen en general a una temperatura mucho mayor que la del agua, permanecen en la salmuera*** original. Siempre hay una pequeña cantidad de sales arrastradas, pero el agua obtenida se puede considerar dulce.
• Congelación: un método muy curioso. Se introduce el agua de mar en una camara refrigerada, a baja presión, donde parte del agua se congela. Por efecto del descenso crioscópico producido por las sales, los cristales formados son de menor salinidad que el agua original, mientras que la salmuera se enriquece en sales. Así, retirando los cristales y lavando su superficie con aguas dulces, se obtiene el agua apta para el consumo. El principal inconveniente es el consumo de agua dulce para lavado.
• Destilación relámpago: se introducen pequeñas gotas de agua de mar en una cámara previamente deshidratada, de forma que, incluso con el agua de mar que se introduce, no se alcance la presión de vapor****. Así, toda el agua se evapora rápidamente, precipitando las sales; por condensación se obtiene agua de gran pureza.
• Formación de hidratos: se pone el agua de mar en contacto con una sal anhidra muy higroscópica*****. Después se separan la salmuera y la sal, y ésta se lava (para eliminar restos adsorbidos de sales) y se calienta, de forma que se obtiene el agua dulce que había incorporado y se recuperan las sales anhidras, que se reutilizan.
• Ósmosis inversa: sin duda el método más importante y en el que más se trabaja. Se basa en el concepto de ósmosis, y de presión osmótica. Consiste en colocar dos disoluciones, de distinta concentración salina, en contacto a través de una membrana semipermeable; así se genera una presión osmótica que tiende a concentrar la disolución diluída y a diluir la concentrada. Pero si aplicamos una presión mecánica (si comprimimos, vaya) a la disolución más concentrada, de forma que la presión mecánica sea mayor que la presión osmótica, el proceso se invierte, y el disolvente pasa de la disolución concentrada a la diluída. Así, reconcentramos la salmera concentrada y diluímos la diluída. Los principales inconvenientes son el alto precio de las membranas osmóticas y lo caro que resulta comprimir un líquido, pero es sin duda el futuro de la desalación.

Los principales métodos basados en la extracción de las sales son:

• Electrodiálisis: también muy curioso, consiste en colocar la salmuera en una cuba electrolítica****** que contiene membranas permeables a cationes e impermeables a aniones, y viceversa, de forma alternada. Si se aplica una diferencia de potencial a los electrodos, los cationes migran hacia el cátodo y los aniones hacia el ánodo, pero se detienen al llegar a la primera membrana impermeable a su paso que encuentran. Esto hace que, de las cámaras comprendidas entre membranas, la mitad se reconcentren, y la otra mitad se diluyan. El problema que tiene el método es que si la salinidad del agua es relativamente baja se consume mucha electricidad (por la poca conductividad de la disolución), pero si es relativamente alta también se consume mucha electricidad (por la mayor electrodeposición que resulta de la aplicación de la corriente).
• Extracción con disolventes: se basa en el principio del equilibrio de extracción*******, pero resulta casi inviable por la multitud de sales de diferente naturaleza que hay que extraer, y porque normalmente las sales inorgánicas son muy solubles en agua, por lo que los coeficientes de reparto son relativamente pequeños y el proceso no sale rentable.

* Hipertónico: dícese del medio que, comparado con otro, tiene una mayor concentración total de solutos disueltos. Tiene especial importancia en los fenómenos de ósmosis.

** ppm: partes por millón. Si el agua de mar tiene 3500 ppm de sales, significa que de cada millón de gramos (= tonelada) de agua de mar, 3500 gramos son de sales.

*** Salmuera: disolución de cloruro de sodio en agua, por extensión cualquier disolución acuosa de sales inorgánicas.

**** Presión de vapor: es la presión a la que las fases líquida y gaseosa de una sustancia conviven en equilibrio dinámico a una temperatura dada. La presión ejercida por el vapor de esa sustancia nunca podrá superar su presión de vapor. Por ejemplo, si en un recipiente introducimos agua líquida, ésta se evaporará lentamente hasta que la presión que ejerza el vapor de agua dentro del recipiente sea igual a la presión de vapor del agua a la temperatura en cuestión. Si la presión ejercida por el vapor de agua es mayor que la presión de vapor, empezará a condensar vapor de agua, hasta que ambas fases estén en equilibrio (es decir, hasta alcanzar la presión de vapor). De esto se deduce que si la cantidad de agua en el recipiente es insuficiente como para que, estando toda en forma de vapor, se alcance la presión de vapor, no habrá fase líquida, que es lo que se aprovecha en la destilación relámpago. Un dato interesante: el porcentaje de saturación de humedad en el aire (lo típico de los partes meteorológicos) no es más que la relación porcentual entre la presión del vapor de agua en la atmósfera y la presión máxima posible (que no es otra que la presión de vapor).

***** Higroscópico: dícese del compuesto, normalmente sólido, que puede incorporar moléculas de agua a su estructura. No es una simple adsorción superficial; el agua ocupa posiciones definidas y fijas en la estructura. Normalmente, calentando un compuesto higroscópico se recupera su forma anhidra (que no ha incorporado agua).

****** Cuba, celda o célula electrolítica: recipiente con dos electrodos en extremos opuestos en el que se vierte un medio conductor (normalmente sales fundidas o disoluciones de electrolitos), y se hace pasar la corriente eléctrica. Se inducen así reacciones electroquímicas de oxidación (en torno al electrodo que actúa como ánodo, de polarización +) y reducción (en torno al electrodo que actúa como cátodo, de polarización -). En el seno de la cuba, los cationes (iones de carga +) tienden a difundir hacia el cátodo (-), y los cationes (iones de carga -) hacia el ánodo (+).

******* Equilibrio de extracción: cuando dos fases fluídas (normalmente líquidas, pero también pueden ser gaseosas) que contienen un cierto soluto se ponen en contacto, el soluto tiende a pasar de una a la otra hasta que la proporción de la concentración en ambas fases alcanza un cierto valor constante, llamado coeficiente de reparto. Si se eligen los disoventes de forma que la relación de solubilidades sea adecuada, se puede extraer la práctica totalidad del soluto en cuestión de la fase en la que estaba a la que nosotros usamos para la extracción. Esto se utiliza, por ejemplo, para descafeinar el café, con dióxido de carbono supercrítico (a presión y temperatura muy altas, los fluídos se vuelven supercríticos, y se comportan como una mezcla de gas y líquido).