La nueva tecnología de tratamiento de agua podría ayudar a reciclar incluso las aguas súper saladas

Los investigadores encuentran que el diseño teórico podría ser la forma más económica de convertir las aguas saladas en agua potable limpia

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Los investigadores encuentran que el diseño teórico podría ser la forma más económica de convertir las aguas saladas en agua potable limpia

Mientras el cambio climático provoca una megasequía en el suroeste de los EE. UU., el país está alcanzando algunos récords preocupantes. El nivel del agua del lago Mead, que proporciona agua a millones de personas, está cerca de su nivel más bajo. Y en algunos lugares, el río Colorado, que se encoge y riega alrededor de 5 millones de acres de tierras de cultivo y apaga la sed de más de 40 millones de personas, es solo desierto y polvo.

Mientras tanto, a partir de 2018, alrededor del 80 % de las aguas residuales del país, incluida el agua utilizada en la agricultura, las centrales eléctricas y las minas, se vierten de nuevo en el mundo, sin tratar e inutilizables, una oportunidad desperdiciada. Y aunque las tecnologías de purificación de hoy en día, que utilizan un proceso llamado ósmosis inversa, siguen siendo la forma más rentable y eficiente de energía para tratar el agua de mar y el agua subterránea salada, la ósmosis inversa convencional no puede manejar aguas súper saladas, aquellas que contienen el doble de contenido de sal del océano. A medida que los suministros de agua de EE. UU. se reducen (y se vuelven más salados), el país ya no puede darse el lujo de arrojar al mundo ni siquiera las fuentes más saladas.

Ahora, en un nuevo estudio publicado en Desalination, los miembros del consorcio de investigación de la Alianza Nacional para la Innovación del Agua (NAWI) analizaron una forma emergente de ósmosis inversa, llamada ósmosis inversa con bajo rechazo de sal. Estos novedosos sistemas podrían tratar incluso agua altamente salada. Pero el diseño es tan nuevo que todavía es teórico.

Entonces, para aprender cómo estas tecnologías podrían competir con otras opciones de tratamiento de agua, el equipo de investigación de NAWI desarrolló un modelo matemático que podría, con la ayuda de una supercomputadora, evaluar rápidamente el costo, la producción de agua limpia y el consumo de energía de más de 130 000 sistemas potenciales. diseños Sus resultados muestran que, en muchos casos, la ósmosis inversa con bajo rechazo de sal podría ser la opción más rentable, reduciendo potencialmente el costo total de producción de agua limpia hasta en un 63 %.

"El objetivo final de esta investigación es realizar una evaluación tecnoeconómica exhaustiva de una nueva tecnología que aún no se ha probado en el mundo real, pero que tiene el potencial de permitir una desalinización con alta recuperación de agua", dijo Adam Atia, un ingeniero senior del Laboratorio Nacional de Tecnología Energética y autor principal del artículo.

Aunque algunos estudios han evaluado el costo potencial y la eficiencia de los sistemas de ósmosis inversa con bajo rechazo de sal, este estudio ofrece un análisis más completo de su diseño, operación y rendimiento. Para comprender mejor la promesa potencial de estos sistemas teóricos, el equipo utilizó una supercomputadora para perfeccionar los diseños más óptimos y rentables. Luego exploraron cómo esos diseños podrían funcionar en cientos de miles de escenarios (en lugar de solo unos pocos).

Debido a que los sistemas de ósmosis inversa con bajo rechazo de sal permiten que pase más sal a través de cada membrana, requieren menos fuerza y, por lo tanto, menos energía para empujar el agua. Pero, si se puede filtrar más sal, el agua resultante, como era de esperar, todavía es demasiado salada para beber. Para producir agua potable, esta agua aún demasiado salada se recicla nuevamente en las etapas de membrana anteriores. Una vez que el contenido de sal es lo suficientemente bajo, la ósmosis inversa estándar puede encargarse del resto, generando agua potable de alta calidad.

Todo ese reciclaje se suma a la complejidad del sistema. Entonces, el equipo necesitaba averiguar: ¿Cuántas etapas de membrana son óptimas? ¿Cuántos bucles de reciclaje se necesitan? ¿Y cuánto costo y energía agregan esos bucles? Para responder a estas preguntas, los investigadores pudieron calcular, individualmente, cuánta agua limpia podría producir cada diseño a partir de aguas con diferentes concentraciones de sal.

"Posiblemente les llevaría mucho, mucho, mucho tiempo resolverlo", dijo Ethan Young, investigador del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) y autor del estudio. "Pudimos hacerlo en unos minutos con computación de alto rendimiento".

Y, en esos pocos minutos, examinaron no uno sino cientos de miles de escenarios potenciales.

"La novedad de nuestro estudio es el poder de la fuerza computacional que aplicamos en este análisis", agregó Bernard (Ben) Knueven, investigador y autor del NREL.

Sin una supercomputadora, todos esos cálculos tomarían alrededor de 88 días en lugar de una hora o incluso unos minutos, dijo Young. Por supuesto, la supercomputadora también necesitaba la magia matemática de Knueven y Young para resolver estos complejos problemas de diseño con rapidez y precisión.

Con todas esas matemáticas rápidas, el equipo descubrió que la ósmosis inversa con bajo rechazo de sal podría superar a sus competidores tanto en costo como en uso de energía, al menos para agua que contiene menos de 125 gramos de sal por litro. Pero el modelo del equipo también podría ayudar a otros equipos de investigación a identificar, construir y probar los diseños de sistemas más prometedores.

"La esperanza es que, al hacer estos análisis computacionales, podamos dar a los experimentadores información para decir: 'Oh, aquí hay algo interesante para estudiar' o 'No, esto probablemente esté completamente descartado'", dijo Knueven.

El modelo también podría ampliarse para ayudar a los experimentadores a perfeccionar los mejores diseños para los sistemas de ósmosis inversa, en general. Su estudio es el primero en usar y agregar a la Plataforma de Evaluación Tecnoeconómica de Tratamiento de Agua (WaterTAP) de NAWI. Una herramienta de software disponible públicamente, WaterTAP brinda a los usuarios el poder de modelar y simular varias tecnologías de tratamiento de agua y evaluar sus costos, energía y compensaciones ambientales.

"Creo que es genial. Estamos construyendo una herramienta que puede ayudarnos a nosotros y a otros investigadores a evaluar el potencial de tecnologías nuevas y emocionantes", dijo Knueven sobre WaterTAP, que se creó a través de una colaboración entre NREL, el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética, Laboratorio Nacional Oak Ridge y los Regentes de la Universidad de California.

A continuación, los investigadores esperan asociarse con equipos experimentales para construir y evaluar cómo funcionan los sistemas de ósmosis inversa con bajo rechazo de sal en el mundo real. La acumulación de minerales, por ejemplo, podría ralentizar el sistema y debería tenerse en cuenta en futuras evaluaciones.

Aun así, dijo Atia, esta forma emergente de ósmosis inversa podría ser una herramienta valiosa para maximizar la recuperación de agua de fuentes de alta salinidad. "Y nuestro modelo puede desempeñar un papel clave en el apoyo a la implementación de la tecnología", dijo.

"Para mí", dijo Knueven, "es una demostración de lo que podemos hacer con un poco de computación y un poco de optimización".

Obtenga más información sobre NAWI y los esfuerzos de sus miembros para asegurar un suministro de agua asequible, eficiente en energía y resistente para los Estados Unidos.

La Alianza Nacional para la Innovación del Agua es una asociación público-privada que reúne a un equipo de clase mundial de socios industriales y académicos para examinar las barreras técnicas críticas y la investigación necesaria para reducir radicalmente el costo y la energía de la desalinización. La alianza está dirigida por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. en colaboración con el Laboratorio Nacional de Tecnología Energética, el Laboratorio Nacional de Energía Renovable y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, y está financiada por la Oficina de Eficiencia Industrial y Descarbonización del Departamento de Energía de EE. UU.

Artículo cortesía del Laboratorio Nacional de Energías Renovables.

Por Caitlin McDermott-Murphy

La misión del Departamento de Energía de EE. UU. es garantizar la seguridad y la prosperidad de Estados Unidos abordando sus desafíos energéticos, ambientales y nucleares a través de soluciones científicas y tecnológicas transformadoras. Aprende más.

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