Mucho se habla acerca del recurso agua: su disponibilidad, distribución, el grado de contaminación, los costos y la escasez; sin embargo, pocas veces se habla de soluciones fuera de los discursos oficiales. El presente texto propone una solución que de momento podría parecer irreal, sin embargo, una vez analizada merece ser considerada para hacerla realidad
Seguramente, los conflictos mayores del milenio que comienza serán por el agua; y el agua tiene tres atributos: cantidad, calidad y disponibilidad. Si no es suficiente, si no sirve o no está a la mano, produce conflictos, entre individuos como entre naciones. Generalmente, la naturaleza nos la provee por medio del ciclo hidrológico, maravilloso mecanismo que transporta, bombea y destila el agua entre los componentes del planeta: océano, atmósfera y continente.
Este mecanismo —como cualquier otro, sea natural o artificial— necesita energía para funcionar; al ciclo hidrológico la provee el sol (en abrumadora mayoría, una ínfima parte es geotérmica). Por lo tanto, agua y energía van juntas.
Efectivamente, en Chiapas o en la Huasteca abunda el agua de calidad pero se requeriría de energía descomunal y una gigantesca infraestructura para traerla, por ejemplo, a la ciudad de México; el Sistema Cutzamala, que satisface con agua superficial una buena parte de las necesidades del Distrito Federal, consume enorme energía para elevarla más de un kilómetro; el subsuelo del propio Valle de México sigue siendo el principal proveedor de agua a la ciudad y por supuesto gasta mucha energía al bombearla por los pozos.
Por cierto que muchos acuíferos subterráneos del país, sobre todo en el centro por sobrepoblación y en el norte por aridez, están sobreexplotados; ello significa que los mantos freáticos se abaten (porque además su recarga ha disminuido por cambios de uso de suelo; deforestación, urbanización, etc.), los pozos deben ser más profundos y el bombeo se encarece.
Obviamente, el océano es una reserva de agua casi infinita, no tiene problema de cantidad, el problema es de disponibilidad, queda lejos (horizontal y verticalmente) de la ciudad de México, del centro del país y del altiplano mexicano, que es donde más agua se requiere. Con todo, éste es un problema menor comparado con el de su calidad, al grado de que la convierte de vital, en líquido mortal para el hombre y cualquier animal o planta terrestre. El gran reto —que demanda infraestructura y energía mayúsculas— es desalar agua de mar.
Por supuesto que para satisfacer nuestras necesidades de agua es más barato, sustentable y ético preservar el ciclo hidrológico natural, que nos la transporta, bombea y destila. Sin embargo y para apoyar este problema, hablaremos de las opciones e implicaciones de desalar agua de mar.
Evaporar y condensar
Naturalmente, estos verbos significan cambios de fase: de líquido a gas y viceversa, respectivamente. Las sales disueltas en agua no se evaporan; por tanto, el procedimiento más obvio para desalar el agua del mar consiste en evaporarla y luego condensarla; es decir, destilarla. Por supuesto que el agua se evapora aunque no hierva, pero aun en ebullición las sales quedan en el recipiente original; sin embargo, las sales disueltas en el agua reducen su tendencia a escapar o evaporarse, y por eso la temperatura de ebullición del agua marina es 0.5ºC mayor que la del agua dulce.
Microscópicamente, uno observa un equilibrio (tranquilo y estático) entre una superficie de agua y su vapor; pero microscópicamente hay un intercambio intenso y continuo. Por cualquier molécula que escapa hacia el vapor, otra regresa. Este escape requiere energía (que pierde el líquido) que se recupera cuando se condensa.
Al vacío la evaporación se multiplica al máximo (45 mil veces más que en el aire), dado que al no haber moléculas que se condensen, las que se evaporan no son reemplazadas en el líquido. Así, a 100ºC se puede evaporar un millón de litros de agua diarios en una superficie de 600 metros cuadrados. Sin embargo, estas condiciones óptimas son difíciles de conseguir; en particular, mantener el vacío significa retirar el vapor conforme se vaya produciendo.
Destilación simple y múltiple
La destilación simple se hace frecuentemente en el laboratorio. Basta calentar el agua para evaporarla y en seguida condensarla; pero se necesita el calor de más de siete focos de 100 vatios encendidos durante una hora para producir un litro de agua destilada. Evidentemente, es mucha energía y el proceso se encarece.
Para hacer eficiente el proceso se recurre al calor liberado por el vapor al condensarse, el cual se aprovecha para evaporar más agua. Ésta es efectivamente la base de la destilación múltiple, que repite el proceso en varias etapas o cámaras condensadoras, en cada una de las cuales se mantiene la presión y la temperatura constantes, pero estas variables disminuyen respecto de la etapa anterior; con lo cual el punto de ebullición también disminuye de una etapa a otra.
El proceso comienza con el agua de mar a temperatura ambiente entrando al interior de un tubo que pasa por las cámaras; en cada cámara el tubo es rodeado por el vapor del líquido hirviendo, el vapor al condensarse en la superficie exterior del tubo libera energía que sirva para calentar el agua dentro del tubo; parte del agua se evapora mientras que el resto pasa a la siguiente cámara y así sucesivamente hasta que alcanza el punto de ebullición. El rendimiento del dispositivo crece conforme la diferencia de temperatura decrece (y el número de cámaras aumenta); pero simultáneamente el costo y la complejidad aumentan.
En la realidad práctica los dispositivos de destilación múltiple constan de 20 a 50 etapas, con diferencias de temperatura entre cámaras consecutivas de 1 a 5ºC; así su eficiencia es 100 veces mayor que la destilación simple.
Destilar por invernadero
En vez de aumentar la eficiencia energética, los costos de la destilación se pueden abatir usando energía renovable, por ejemplo la del sol. Imagine una especie de invernadero con agua de mar depositada en el piso; la radiación solar que absorbe y el calor atrapado dentro del recinto evaporan el agua, que se condensa en las láminas de vidrio inclinadas del techo, por las cuales se escurre hasta desaguar a canales ubicados a lo largo de la instalación.
La cantidad máxima de agua que se puede destilar de ese modo depende de la energía disponible; la mayor cantidad de energía se recibe del sol al mediodía con cielo despejado y es de 1 kV/m2, capaz de evaporar hasta 1.4 litros/m2. El rendimiento diario equivale aproximadamente a 2.2 horas del valor máximo.
Desalar por ósmosis
Existen membranas naturales como la vejiga o artificiales hechas con polímeros, llamadas semipermeables, que desarrollan el proceso de la ósmosis, consiste en dejar pasar las moléculas de agua, pero no las moléculas disueltas en ella; por lo tanto, cuando la membrana separa una solución acuosa —por ejemplo, agua salada— de un lado y agua pura del otro, el agua tiende a pasar del líquido puro a la solución.
Si la membrana es resistente se puede aplicar a la solución, por ejemplo, mediante un émbolo.
A cierta presión se llega a un equilibrio, de modo que el agua deja de pasar, ni para un lado ni para el otro. Con presiones menores el agua pasa del líquido puro a la solución y a presiones mayores el proceso se invierte por eso se llama ósmosis inversa: el agua pasa de la solución al líquido puro. A esta presión especial se le llama presión osmótica, depende solamente de la concentración de la sustancia disuelta (la sal) y no de su naturaleza química. A 15ºC de temperatura, la presión osmótica del agua del mar es de 24 atmósferas.
Un pozo en el mar
Por ósmosis inversa se puede desalar agua de mar; basta contenerla con la membrana semipermeable y ejercer una presión mayor que la osmótica. El proceso es atractivo, si se utiliza la presión del mar, porque la energía necesaria es mínima, sólo el trabajo de forzar el agua través de la membrana, por ejemplo, pasar 18 cm3 de agua requiere unas 10 calorías, en cambio para evaporar esa misma cantidad se necesitan casi 10 mil. Además hay membranas naturales semipermeables capaces de soportar presiones de más de 24 atmósferas: las rocas volcánicas llamadas zeolitas.
En el océano, cada 10 m de profundidad aumenta una atmósfera; por tanto, a más de 240 m bajo la superficie, la presión hidrostática ejercida por el mar excede la presión osmótica y el agua pasa sin sal por la membrana.
Imagine este dispositivo como un tubo de 250 m tapado en el fondo con una membrana de zeolita y metido verticalmente en el mar: un pozo dentro del agua. De esta forma de desalar quedan pendientes dos dificultades. La primera consiste en que al purificar una parte del agua salada el resto queda más salada, la concentración de la solución aumenta y por tanto la presión osmótica también; sin embargo, esto no es problema en el mar, si el agua fuera del tubo está bien mezclada y su salinidad no cambia, por ejemplo en una corriente. El segundo problema es obvio: el agua pura debe ser bombeada del fondo del pozo a 245 m de profundidad, con el consiguiente gasto de energía.
Para concluir podemos sintetizar que es factible desalar agua de mar, hay diversas técnicas para hacerlo, pero todas requieren energía y es más económico y sustentable utilizar energías renovables que seguir agotando los mantos freáticos aledaños a las grandes ciudades. Es caro, pero en una balanza crítica, las soluciones a corto y mediano plazos tomadas hasta ahora, están resultando más costosas.
Sergio Guzmán*, Norma Sánchez-Santillán** y René Garduño*
* Centro de Ciencias de la Atmósfera. UNAM
** Departamento El Hombre y su Ambiente. UAM-Xochimilco
