Aplicación y evaluación tecno-económica de la destilación por membranas en la desalación de agua de mar y drenaje ácido de minas

Resumen

El agua es un recurso esencial para el desarrollo de la vida y el bienestar de los ecosistemas. No obstante, la presión antropogénica sobre el medio ambiente, el crecimiento poblacional, la contaminación, el cambio climático y el elevado consumo de recursos naturales, provocan que la humanidad se esté enfrentando a unos de los problemas más importantes de la actualidad: la escasez y la pérdida de calidad de los recursos hídricos disponibles. En este sentido, entre las medidas disponibles para paliar estos problemas se encuentran distintos tipos de tratamiento de aguas. Entre las tecnologías empleadas para la obtención de agua a partir de fuentes no convencionales, se encuentran procesos muy conocidos e implantados, destacando la ósmosis inversa, la destilación súbita multietapa y la destilación multiefecto. Sin embargo, según las características fisicoquímicas del agua a tratar, estos procesos pueden presentar algunas limitaciones, como un elevado consumo energético, ensuciamiento, bajos rendimientos o un elevado coste del tratamiento, entre otras. La mayoría de las tecnologías de desalación se pueden clasificar según estén basadas en procesos de separación por membranas, procesos térmicos o la combinación de ambos, como es el caso de la destilación por membranas (MD). La MD, principal protagonista de esta Tesis Doctoral, es una tecnología de desalación en desarrollo, la cual no se ha implantado completamente a nivel comercial. Esta se caracteriza por una gran versatilidad y robustez, con un gran potencial en multitud de aplicaciones por las características operacionales ventajosas que presenta sobre otros procesos convencionales. Brevemente, la MD se describe como un proceso de separación térmicamente impulsado, en el que sólo las moléculas de vapor pasan a través de una membrana, principalmente, hidrofóbica y microporosa. De este modo, la presión de vapor inducida por la diferencia de temperatura entre ambos lados de la membrana es la fuerza motriz del proceso. Debido a este mecanismo, se produce agua de una elevada calidad. Como ventaja adicional conviene destacar que las temperaturas de operación son fácilmente alcanzables a partir de calor residual y energías renovables, lo que hace que este proceso pueda realizarse de forma sostenible. En esta Tesis Doctoral, presentada como un compendio de cuatro publicaciones, se evalúa el desempeño técnico y la viabilidad económica de la MD en dos tipos de aplicaciones. Con este fin, se emplearon un total de tres plantas piloto de MD, distintos tipos de membranas planas y dos configuraciones del módulo que permiten la obtención de un permeado puro, como son: air gap membrane distillation (AGMD) y water gap membrane distillation (WGMD). En este sentido, se estudió el efecto de las variables de operación más importantes, como temperaturas y caudales de operación. Además, se aplicaron distintas técnicas de caracterización tanto para las membranas como para determinar la calidad del agua producida y el rendimiento del proceso. A continuación, se describen cronológicamente las distintas etapas desarrolladas. En primer lugar, se investiga la capacidad y rendimiento de la MD para la desalación de agua de mar, así como su posible aplicación en buques cruceros, una industria turística en constante expansión con grandes necesidades de agua a bordo. Para ello, se plantea el uso de agua de mar como agua de alimentación y el calor residual generado en la refrigeración de los motores de combustión del buque como fuerza motriz del proceso. En segundo lugar, la MD se ha estudiado como una tecnología alternativa para su aplicación en la separación de metales de aguas de drenaje ácido de minas (AMD). Uno de los principales y más graves problemas medioambientales por contaminación del agua es debido a la presencia de metales, siendo las AMD una de las principales fuentes. Adicionalmente, este tipo de aguas presentan una serie de características que las hacen muy complejas, dificultando su tratamiento. En tercer lugar, se ha estudiado el comportamiento de la materia orgánica, representado como ácidos húmicos, en la MD. Los fenómenos de ensuciamiento y la presencia de materia orgánica afectan notablemente a los procesos de membranas y por ello, son muy conocidos y estudiados. No obstante, debido al propio mecanismo de la MD, el ensuciamiento no es tan importante ni tan conocido en este proceso. En cuarto lugar, uno de los aspectos más críticos que determinan el éxito de la implantación comercial de una tecnología es su viabilidad económica. En este sentido, se ha realizado un análisis tecno-económico de la MD para determinar los costes de la desalación de agua de mar. Para ello, se han tenido en cuenta distintos escenarios energéticos y se han simulado distintos caudales de tratamiento. Siguiendo la misma metodología, se han estimado, además, los costes de la MD para el tratamiento de AMD y la separación de metales. Los resultados obtenidos han sido muy prometedores, superando todas las expectativas. Ambas configuraciones de MD mostraron un gran rendimiento en el rechazo de sales, iones y metales, próximo al 100%, para ambas aplicaciones y en todas las condiciones experimentales estudiadas. Del mismo modo, los flujos de permeado obtenidos con WGMD fueron similares e incluso superiores a los que presentan otros procesos convencionales como la ósmosis inversa de agua de mar. Por otra parte, se ha demostrado que la materia orgánica no volátil es capaz de atravesar, en bajas concentraciones, la membrana hacia el permeado, mediante mecanismos de difusión. Así, el flujo de materia orgánica se ve afectado por las temperaturas y caudales de operación, así como por la composición de la membranas. De este modo, se puede afirmar que la membrana no es un mero soporte, y que por tanto, juega un papel importante en el proceso de MD. Aunque no se ha observado una pérdida de calidad del permeado en las aplicaciones y condiciones experimentales estudiadas, es necesaria la caracterización de la materia orgánica y una mayor investigación de este proceso en MD. Desde un punto de vista económico, las simulaciones realizadas sugieren que la MD es un proceso potencialmente viable y competitivo para ambas aplicaciones estudiadas. En concreto, WGMD presentó unos costes más atractivos para mayores capacidades de producción, usando fuentes de calor residual o procedente de energías renovables. En definitiva, se ha demostrado que la MD y en especial, WGMD, pueden considerarse como una alternativa competitiva, viable técnica y económicamente para las aplicaciones evaluadas. Esta tecnología es capaz de producir agua de muy alta calidad de una manera más sostenible que otros procesos convencionales, mediante el aprovechamiento de la energía térmica residual o el uso de energía procedente de fuentes renovables.