¿Cómo se potabiliza el agua salada? La búsqueda de nuevas soluciones a un problema salobre

Los métodos no convencionales para la desalinización podrían crear más agua potable, ayudar a muchas industrias a lidiar con salmueras problemáticas y aumentar el suministro de litio para baterías.

Por XiaoZhi Lim, publicado en Nature el 04.07.2024

La gente ha estado separando la sal del agua durante milenios, cosechando tanto agua salada como agua potable fresca del agua salada del mar. Pero hay límites a lo que se puede hacer, a veces con consecuencias drásticas. Cuando la gente de la antigua Mesopotamia no pudo encontrar la manera de desalinizar el agua de riego y evitar que las sales se acumularan en sus suelos, su sociedad colapsó. “Es el problema más antiguo y aburrido del mundo, pero grave”, dice Sujay Kaushal, hidrólogo de la Universidad de Maryland en College Park.

Este problema ahora es cada vez más apremiante, ya que los niveles de salinidad aumentan en las aguas dulces por una serie de razones. El aumento del nivel del mar está empujando la sal hacia las aguas subterráneas costeras, mientras que la extracción excesiva de agua subterránea en otros lugares está arrastrando aguas más profundas y saladas hacia los acuíferos. Y las actividades humanas, desde el deshielo de carreteras hasta el lavado de ropa y la fertilización de los campos, están contaminando las aguas superficiales con muchos tipos de sal. En octubre pasado, Kaushal y sus colegas informaron que los niveles de sal en los principales arroyos y ríos de todo el mundo están en auge; Algunos cuerpos de agua son ahora varias veces más salados que hace unas décadas1. La salinización del agua dulce es un problema global masivo, no solo regional, dice.

Un segundo problema relacionado es la creciente carga de salmueras residuales problemáticas. Una variedad de industrias, desde la extracción de petróleo y gas hasta las plantas desalinizadoras que producen agua potable, crean aguas residuales saladas que son costosas de eliminar. “Tenemos que hacer algo con la salmuera”, dice Menachem Elimelech, ingeniero ambiental de la Universidad de Yale en New Haven, Connecticut.

En la otra cara de estos problemas está la industria de la extracción de sal. Cada año se extraen cientos de millones de toneladas de sales minerales de las rocas o de las aguas saladas. El Mar Muerto es una fuente importante de potasio; el Gran Lago Salado en Utah, magnesio. Las empresas mineras que buscan suministros de litio, un metal crucial para las baterías y las tecnologías ecológicas, están recurriendo a las salmueras en todo el mundo.

Los investigadores que perciben oportunidades en este campo esperan poder extraer sales de las salmueras residuales, convirtiendo un problema en una ganancia mientras exprimen más agua dulce.

Para hacer todo eso, los científicos ahora están explorando técnicas para separar la sal del agua de manera más eficiente, utilizando electricidad, nuevos materiales y solventes. Con una amplia gama de productos químicos de salmuera para abordar y una gran cantidad de objetivos diferentes, no existe una tecnología “asesina”, dice Shihong Lin, ingeniero ambiental de la Universidad de Vanderbilt en Nashville, Tennessee. “Esto es como mil problemas diferentes”, dice Lin.

Súper salado

Está claro que el agua extremadamente salada no es saludable para los seres humanos, los animales o las plantas. Beber agua de mar, que contiene aproximadamente un 3,5% de sal, la mayor parte de cloruro de sodio, puede apagar nuestros riñones y ser fatal. El agua subterránea salobre, que contiene alrededor de un 0,1-1% de sal, suele desalinizarse antes de beberla. Pero los impactos en la salud del agua menos salada son turbios. “Nadie sabe si se puede beber durante 30 años sin ningún problema, sin aumentar el riesgo de enfermedad”, dice Lin.

No existe un límite acordado para un nivel seguro de sal en el agua potable. La Organización Mundial de la Salud sugiere que el agua potable debe tener niveles de sodio por debajo de 200 miligramos por litro (0,02%) y niveles de cloruro por debajo de 250 mg/L (0,025%), pero estas pautas se basan principalmente en el sabor. Kaushal señala un estudio que ha relacionado el agua potable con niveles de sodio de más del 0,03% con el aumento de las tasas de preeclampsia e hipertensión gestacional entre las personas embarazadas en Bangladesh2. El agua salada también podría causar daños indirectos, por ejemplo, al ayudar a que los metales pesados se filtren de los suelos o las tuberías, ya que estos metales intercambian lugares con la sal en el agua, dice Allison Lassiter, científica social de la Universidad de Pensilvania en Filadelfia.

Con el aumento de la salinidad, los especialistas coinciden en que las principales prioridades deben ser detener las actividades humanas contaminantes de la sal, conservar el agua dulce y reutilizar las aguas residuales. Pero muchos investigadores, incluidos Lassiter y Kaushal, esperan que la desalinización sea cada vez más necesaria como amortiguador contra la escasez de agua dulce.

Un método estándar para la desalinización consiste en calentar agua de mar para evaporar el agua y luego condensar el vapor; este principio básico se utiliza hoy en día en un gran número de plantas desalinizadoras del mundo, especialmente en las que salpican las costas del Golfo en Oriente Medio. Pero este método consume mucha energía.

En la década de 1960 surgió una técnica más eficiente desde el punto de vista energético, que utilizaba la presión física para forzar las moléculas de agua a través de los diminutos poros de una membrana delgada mientras dejaba iones de sal disueltos. Este proceso, llamado ósmosis inversa, es el estándar de oro para las plantas desalinizadoras en la actualidad.

El problema es que la ósmosis inversa tiene un límite. A medida que se extrae agua dulce, las aguas de origen se vuelven cada vez más saladas, lo que dificulta cada vez más la continuación del proceso de separación. Este es un “problema ineludible”, dice Christopher Fellows, químico de la Corporación de Conversión de Agua Salina (SWCC, por sus siglas en inglés) en Jubail, Arabia Saudita. Todas las formas de desalinización dejan una salmuera residual que debe ser gestionada.

Extrae la salmuera

Algunas salmueras residuales simplemente se vierten en el océano; en California, un sistema de tuberías llamado Brine Line transporta salmueras residuales que se producen a más de 100 kilómetros tierra adentro hasta el mar. En otros lugares, la solución más económica es inyectar salmueras residuales bajo tierra, en un lugar lo suficientemente alejado de las aguas subterráneas utilizadas. Esta técnica ha sido criticada por su potencial para causar microterremotos.

Alternativamente, la salmuera se puede esparcir en estanques para que se evapore bajo el sol y se recojan las sales sobrantes, una estrategia que requiere tierra y tiempo y que también exige un clima agradable. Una forma más rápida y compacta de concentrar la salmuera consiste en calentarla y comprimir el vapor de agua para acelerar la evaporación. Pero esto requiere una cantidad asombrosa de energía, dice el ingeniero ambiental Ngai Yin Yip de la Universidad de Columbia en la ciudad de Nueva York, así como aleaciones costosas que pueden soportar la salmuera caliente corrosiva.

Pagar por la eliminación segura de salmueras puede ser exorbitante. Las comunidades que tienen agua subterránea salobre, por ejemplo, a veces no pueden pagar la desalinización debido a los costos de la eliminación de salmuera, por lo que deben encontrar agua dulce en otro lugar. Los investigadores que han sugerido desalinizar el Mar Salton de California, que se está volviendo tan salado que amenaza la vida silvestre que vive en él, también están lidiando con altos costos de manejo de salmuera.

En lugar de tirarlo a la basura, algunos investigadores están pensando en extraer salmueras de desechos para obtener minerales. Para el ingeniero ambiental Jason Ren, de la Universidad de Princeton en Nueva Jersey, esta idea se alinea mejor con su opinión de que el agua potable limpia debería ser un derecho humano: las empresas de desalinización, dice, deberían beneficiarse de la venta de sales, no de agua limpia. “Durante muchos años, no hemos entendido el punto”, dice Ren. “Nos enfocamos en el agua como producto; En mi opinión, el agua debería ser un subproducto de los otros recursos”.

Ren y otros tienen la vista puesta en un mineral particularmente valioso: el litio. Hoy en día, una gran parte de los suministros mundiales de litio proviene de salmueras naturales en la árida América del Sur. La salmuera se esparce en extensos estanques, evaporándose bajo el sol durante muchos meses. A medida que los investigadores identifican otras salmueras ricas en litio, incluidas las aguas residuales de la industria del petróleo y el gas, se dan cuenta de que necesitan nuevas técnicas para adaptarse a lugares donde no hay suficiente tierra o el clima adecuado para estanques de evaporación.

Otras salmueras podrían proporcionar una fuente no convencional de cloruro de sodio. Hoy en día, irónicamente, algunas empresas utilizan agua dulce para extraer sal: perforan los depósitos subterráneos de sal con tuberías que transportan agua dulce para disolver el cloruro de sodio. Esta salmuera de alta pureza se bombea y se canaliza o se transporta a plantas cloroalcalinas: más de la mitad de todos los productos químicos producidos dependen de estas refinerías químicas.

Incluso si las salmueras residuales no contienen sales particularmente valiosas, los investigadores del agua tienen otras razones para defender la idea de extraer salmueras de desechos: eliminar la sal de la salmuera libera más agua dulce y el costo de eliminación disminuye cuando los volúmenes de salmuera residual son menores.

Soluciones frescas

En Arabia Saudita, reconociendo la oportunidad de generar ingresos adicionales mientras se produce más agua dulce, el SWCC, de propiedad estatal, está construyendo una planta de demostración para recolectar cloruro de sodio, entre otras sales, de los desechos de desalinización de agua de mar.

La planta, cuya construcción está prevista para finales de este año en Haql, Arabia Saudí, utiliza una técnica emergente de clasificación de la sal llamada nanofiltración como parte de una larga serie de procesos, dice Fellows. Al igual que la ósmosis inversa, la nanofiltración funciona empujando moléculas de agua a través de una membrana. Pero la membrana tiene poros más grandes que también permiten el paso de algunos iones de sal: los iones de sal disueltos que llevan una sola carga eléctrica, como el sodio, el potasio y el cloruro, pueden cruzar la barrera, mientras que los que tienen dos o más cargas, como el magnesio y el calcio, se quedan atrás. El principal desafío del SWCC es producir cloruro de sodio que sea lo suficientemente puro para el mercado cloroalcalino.

La etapa final en la planta SWCC consiste en hervir la salmuera caliente hasta que se cristalice el cloruro de sodio puro. Este paso que consume mucha energía está lejos de ser ideal, dice Fellows. Su equipo ha comenzado a explorar otras estrategias para esta etapa, incluida la desalinización por congelación. Este enfoque se inspira en el hecho de que el hielo marino está compuesto de agua dulce, aunque el agua de mar es salada. Es atractivo, dice Fellows, porque se necesita una séptima parte de la energía para congelar agua helada que para evaporar agua hirviendo. “No sé cuál es la [estrategia] ganadora en este momento, pero será diferente para las diferentes separaciones que queremos hacer”, dice Fellows.

Muchos grupos se están enfocando en una estrategia alternativa que utiliza electricidad, en lugar de presión, para hacer el trabajo de separación. En esta técnica, se utiliza una corriente eléctrica para tirar de los iones de sal disueltos a través de membranas especializadas de intercambio iónico, que permiten el movimiento de iones en una sola dirección. A medida que los iones pasan a través de estas membranas, la salmuera en la que comenzaron se vuelve más diluida o más fresca. Los investigadores esperan que la técnica sea útil para prediluir salmueras extremadamente saladas, de modo que la ósmosis inversa convencional pueda utilizarse para exprimir más agua dulce.

En una variante de estas técnicas basadas en la electricidad, el equipo de Lin trató de dejar que las concentraciones de iones de sal que han cruzado las membranas de intercambio iónico se acumularan hasta formar cristales sólidos3. Este intento de cristalizar sales sin evaporar el agua funcionó bien para ciertas sales, como el sulfato de sodio, que se encuentra comúnmente en las aguas residuales de las centrales eléctricas, dice Lin, pero no para la sal más abundante en las salmueras de desecho, el cloruro de sodio. Los iones de sodio y cloruro se adhieren a las moléculas de agua con tanta fuerza que también arrastran el agua a través de la membrana, dice Lin.

Para evitar tanto la evaporación como el uso de membranas, los miembros del equipo de Yip en Columbia están recurriendo a disolventes químicos4 (ver video). Un candidato prometedor es un solvente disponible en el mercado llamado diisopropilamina5. El disolvente flota sobre una salmuera salada y, a bajas temperaturas, succiona selectivamente las moléculas de agua hacia sí mismo, dejando atrás la mayoría de los iones de sal. A temperaturas más altas, la diisopropilamina pasa a repeler el agua y expulsa espontáneamente el agua que ha absorbido, por lo que el agua puede recuperarse y reutilizarse el disolvente.

Yip dice que su equipo ha utilizado este método para recuperar agua dulce de muestras de salmuera que son hasta diez veces más saladas que el agua de mar, una tarea imposible para la ósmosis inversa estándar. La porción de agua dulce podría no ser potable hasta que se tomen más medidas para eliminar el solvente contaminante y la sal, dicen los investigadores. Pero la técnica podría ayudar a las industrias que buscan reciclar el agua de sus salmueras residuales. Los investigadores participan actualmente en un desafío de premios organizado por el Departamento de Energía de EE.UU. para construir un pequeño piloto que utilizaría calor solar para el paso de expulsión de agua.

Ren y sus colegas han adoptado un enfoque completamente diferente6, inspirado en los árboles. Los árboles pueden extraer agua varios metros contra la gravedad, emitiendo vapor de agua limpia de sus hojas mientras atrapan los compuestos disueltos en sus tejidos. El enfoque de su equipo imita a los árboles mediante el uso de largas cadenas de fibras con un extremo absorbiendo agua salada. A medida que la salmuera viaja hacia arriba, las sales se separan aprovechando el principio común de la cromatografía: diferentes compuestos se mueven a diferentes velocidades a través de un medio.

El objetivo principal de Ren, el cloruro de litio, es extremadamente soluble y pequeño, por lo que sus iones se mueven rápidamente hacia arriba en la cuerda, por delante de los iones de sodio más grandes. Ren ha utilizado con éxito este método para recuperar litio de muestras de salmuera natural de Chile, utilizando menos energía y espacio que la evaporación convencional. El equipo está diseñando un módulo cerrado que incorpora pilas de estas cuerdas. Los investigadores tienen como objetivo extraer litio de las salmueras residuales producidas en las operaciones de petróleo y gas, al tiempo que recuperan el agua evaporada.

Sin embargo, se puede encontrar más inspiración en la naturaleza: proteínas de canal altamente selectivas incrustadas en las membranas celulares. Un tipo de canal iónico permite que solo pase un ion de sodio por cada mil iones de potasio, dice Elimelech. Su equipo está trabajando actualmente en membranas que imitan estas proteínas de canal, aunque por ahora se encuentran en las primeras etapas de desarrollo.

Barrera de precios

Que alguna de estas ideas se afiance depende de la economía. Si el SWCC extrajera todo el cloruro de sodio disponible de las salmueras de desalinización de agua de mar de Arabia Saudita, señala Fellows, sería suficiente para abastecer un tercio del mercado mundial. Mientras tanto, las salmueras residuales sobrantes de la desalinización de agua salobre podrían ofrecer la abundancia de yeso mineral, pero es poco probable que la minería de salmuera no convencional pueda competir económicamente con la extracción convencional de roca.

Los nuevos mercados, como el advenimiento de tecnologías alimentadas con sal, incluidas las baterías de zinc-bromo, podrían crear una nueva demanda de ciertas sales, dice Fellows. Las regulaciones también podrían desempeñar un papel, ya sea encareciendo la eliminación de salmueras residuales o incentivando el uso de sales de salmuera en diversas aplicaciones, por ejemplo, el yeso de salmuera en sales de carreteras.

Una cosa está clara: las necesidades de agua dulce están aumentando. Abordar los límites actuales de la desalinización con nuevas tecnologías es importante, dicen los investigadores. Pero no es una alternativa al paso aún esencial de conservar el agua dulce. Siempre se necesitará energía, tiempo o espacio terrestre para separar la sal del agua, por lo que siempre habrá un precio que pagar por la desalinización. “No hay magia allí”, dice Elimelec.

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-024-02073-6

Referencias

1. Kaushal, S. S. et al.Naturaleza Rev. Tierra Medio Ambiente. 4, 770–784 (2023).
2. Khan, A. E. y cols.PLoS ONE 9, e108715 (2014).
3. Zhang, X. et al.Nature Water 1, 547–554 (2023).
4. Boo, C., Winton, R. K., Conway, K. M. & Yip, N. Y.  Sci. Technol. Lett.6, 359–364 (2019).
5. Boo, C., Billinge, I. H., Chen, X., Shah, K. M. & Yip, N. Y.  Sci. Technol.54, 9124–9131 (2020).
6. Chen, X. et al.Nature Water 1, 808–817 (2023).