Los polímeros hacen su aportación

El océano puede ser una enorme fuente de agua. La única condición para que esto sea viable es desarrollar técnicas sencillas y económicas que no consuman demasiada energía. Aunque existen varias soluciones, el tratamiento de agua mediante ósmosis inversa es una de las opciones más prometedoras, siempre que se logre reducir sus costes energéticos.

Agua de mar y polímeros: la ósmosis perfecta

La ósmosis es un proceso a través del cual se acaban equilibrando dos concentraciones diferentes de líquidos que se encuentran separados por una membrana porosa. En otras palabras, si se pone agua de mar y agua dulce en dos recipientes separados por una membrana, la concentración de sal acabará igualándose a ambos lados del depósito después de un determinado período de tiempo. El descubrimiento de este fenómeno le valió al científico alemán Jacobus Henricus van’t Hoff el Premio Nobel de Química en 1901. La ósmosis inversa implica aplicar presiones elevadas para forzar la reacción inversa, permitiendo el paso a través de la membrana solo a las moléculas de agua.

Es posible encontrar en el mercado numerosas unidades de ósmosis inversa que se basan en este mismo principio. Algunas de ellas son tan potentes que se utilizan en el sector hortícola, como en Kenia, donde los campos de tulipanes se riegan con agua de mar desalinizada mediante ósmosis inversa. Generalmente, las unidades de ósmosis tradicionales contienen dos filtros. El primero de ellos suele ser de metal (una aleación de zinc y cobre) y se utiliza para capturar partículas muy grandes como arena y sedimentos calcáreos.

Una serie de membranas poliméricas a escala industrial puede desalinizar varios miles de litros de agua al día utilizando la ósmosis inversa. .

También tiene la función de proteger la membrana polimérica de polipropileno o poliamida, que constituye el segundo filtro. Aunque la eficacia del sistema está demostrada, no es particularmente eficiente. Este tipo de unidades de ósmosis inversa consumen enormes cantidades de energía y solo ofrecen un rendimiento satisfactorio del 50 %.  

Los plásticos brillan bajo el sol

Sin los avances en el universo de los polímeros y el creciente uso de la energía solar para producir la electricidad que requieren las unidades de ósmosis inversa, esta tecnología habría sido desdeñada por su bajo rendimiento. En el ámbito industrial, el polipropileno y la poliamida han sido reemplazados por las membranas de polisulfona, un polímero capaz de soportar un amplio rango de temperaturas y muy resistente a los productos químicos. Solo con la introducción de este polímero se ha logrado una mejora de los rendimientos muy considerable. Sus propiedades físicas ofrecen caudales más elevados y capacidades de filtración tanto o más eficaces que las de los modelos de poliamida. Esto significa que las membranas de polisulfona requieren tres veces menos energía para filtrar la misma cantidad de agua de mar. Cuando se dispone además de plantas de energía solar, como en determinadas regiones de Kenia, el riego de los tulipanes deja de ser un problema.

La nanotecnología acude al rescate

Si bien la tecnología de la ósmosis inversa ya está dominada, las investigaciones se centran ahora casi exclusivamente en las membranas, con el objetivo de seguir mejorando los rendimientos. Se está explorando en dos vías de investigación y la nanotecnología se encuentra en el centro de ambas.
Algunos investigadores están buscando la forma de reducir el tamaño de los poros de las membranas y aumentar el número de poros por membrana. Siendo todavía una empresa emergente, la americana NanoH2O fue una de las empresas pioneras en desarrollar por primera vez en 2010 una nueva tecnología, al bombardear una membrana polimérica, generalmente hecha de polisulfona, con nanopartículas de zeolita, un mineral poroso que se expande bajo el efecto del calor y que es particularmente hidrófilo. La eficacia, por lo tanto, depende del tamaño de los poros, que son del orden del tamaño de una molécula de agua (aproximadamente un nanómetro). Se observó que cuando los poros de la membrana eran del tamaño de las moléculas de agua, las moléculas se conectaban alineadas entre ellas, lo que aceleraba el movimiento del agua a través del tamiz. Desde entonces, esta pequeña empresa emergente ha vendido participaciones por valor de 12 000 millones de dólares, en particular a importantes grupos industriales internacionales, y se estima que cada día se producen alrededor de 300 millones de litros de agua dulce gracias a estas nuevas membranas.
El anterior gobierno de Estados Unidos impulsó notablemente los avances en esta área mediante la financiación de las líneas de investigación que consideraron más prometedoras. Gracias a ello, Lockheed Martin pudo desarrollar unas novedosas membranas de grafeno cuyos poros, como en las membranas de polisulfona, tenían un diámetro de un nanómetro (una mil millonésima parte de un metro) y permitían el paso del agua a la vez que bloqueaban el de la sal. La única diferencia era que estos filtros necesitaban una presión dos veces más baja comparado con los utilizados tradicionalmente para desalinizar el agua, lo que reducía los costes entre un 15 y un 20 %. Hoy en día, el grafeno o, más bien, el óxido de grafeno, es el material ideal para filtrar agua de mar. El único problema es que este material tiende a hincharse al entrar en contacto con el agua y eso reduce el tamaño de los poros y bloquea las moléculas de agua. Los científicos resolvieron el problema recubriendo ambos lados de la membrana con una resina epoxi, con el fin de evitar que se hinche y permitir que el agua la atraviese rápidamente.

Gracias a la zeolita, un mineral poroso, los poros de las membranas poliméricas miden apenas unas pocas micras y el agua las atraviesa más rápidamente. De este modo se ahorra energía.

Los polímeros se broncean al sol

Mientras algunos investigadores intentan descubrir una membrana revolucionaria, otros están centrando sus esfuerzos en la energía necesaria para alimentar las unidades de ósmosis inversa. Este es el caso de una emergente empresa francesa que despertó gran interés en las dos últimas COP (Conferencia de las Partes). Globalmente, todas las plantas de desalinización combinadas emiten 80 millones de toneladas de CO2 al año, y esas emisiones aumentan en un 10 % cada año. En algunas regiones, estas plantas ya utilizan «energías suaves» como la solar o la eólica, pero necesitan grandes baterías para almacenar esta energía, lo que representa una solución costosa y no necesariamente respetuosa con el medioambiente.

Mascara, la empresa en cuestión, parece haber hallado la solución al desarrollar una planta que opera de forma autónoma utilizando energía solar, es decir, sin baterías. Cuando sus 180 m2 de células fotovoltaicas poliméricas capturan los rayos del sol, la unidad de desalinización funciona a plena potencia. A la más mínima aparición de nubosidad, la planta se ralentiza o incluso se detiene. De este modo, la planta consume muy poca cantidad de energía: alrededor de 2,5 kWh por metro cúbico de agua producida, comparado con los 7 kWh de una unidad de ósmosis inversa con motor térmico. Para que esto fuera viable, los diseñadores tuvieron que reinventar el sistema de ósmosis inversa que, hasta entonces, requería una presión estable para desalinizar agua de mar. La solución implicaba hacer que el flujo de agua a través de las membranas poliméricas fuera proporcional a la presión. Sobre esta idea se asienta el fundamento principal del sistema. Sin embargo, no se sabe mucho más al respecto puesto que está protegido por una patente celosamente custodiada. La primera planta de este tipo se montó en Abu Dabi en tan solo dos semanas. El hecho de que sea tan fácil de montar es clave y podría ayudar a abastecer de agua potable a los 3900 millones de personas que según estimaciones de la OCDE sufrirán estrés hídrico en 2040, es decir, ¡más de la mitad de la población mundial!

Una empresa francesa emergente ha desarrollado una instalación de desalinización alimentada con energía solar. ¡Verdaderamente esperanzador! Recientemente se ha montado una planta piloto en Abu Dabi