La seguridad del agua se está convirtiendo en un desafío global urgente. Cientos de millones de personas ya viven en regiones con escasez de agua, y la ONU proyecta que para el 2030 aproximadamente la mitad de la población mundial vivirá en áreas con gran estrés hídrico. Esta será una crisis incluso para países desarrollados como EE. UU., donde los administradores del agua en 40 estados esperan escasez de agua dulce en los próximos 10 años. A medida que crecen la población mundial y el PIB, también lo hará la demanda de agua dulce. Y, con el continuo aumento de las temperaturas globales, la escasez de agua solo empeorará.

Se confía cada vez más en los procesos de desalinización para aumentar los suministros de agua. De hecho, Se prevé que la capacidad mundial de desalinización se duplique entre 2016 y 2030. Pero estos procesos son costosos y pueden ser perjudiciales para el medio ambiente. Las salmueras de salinidad ultra alta que son el subproducto de la desalinización pueden ser varias veces mayores que la salinidad del agua de mar y sus opciones de manejo son especialmente desafiantes para las instalaciones de desalinización del interior como las de Arizona. California, Florida, y Texas.

Durante el año pasado, Los investigadores de Columbia Engineering han estado refinando su enfoque de desalinización no convencional para salmueras hipersalinas —extracción por solvente por variación de temperatura (TSSE) —que muestra una gran promesa para un uso generalizado. TSSE es radicalmente diferente de los métodos convencionales porque es una técnica basada en extracción con solventes que no usa membranas y no se basa en el cambio de fase evaporativa:es efectiva, eficiente, escalable y alimentado de forma sostenible. En un nuevo periódico publicado en línea el 23 de junio de Ciencia y tecnología ambiental , el equipo informa que su método les ha permitido lograr una descarga de cero líquidos (ZLD) de salmueras de salinidad ultra alta con eficiencia energética, la primera demostración de TSSE para la desalinización ZLD de salmueras hipersalinas.

"La descarga de líquido cero es la última frontera de la desalinización, "dice Ngai Yin Yip, un profesor asistente de ingeniería ambiental y de la tierra que dirigió el estudio. "Evaporar y condensar el agua es la práctica actual para ZLD, pero requiere mucha energía y es prohibitivamente costoso. Pudimos lograr ZLD sin hervir el agua; este es un avance importante para la desalinización de las salmueras de salinidad ultra alta que demuestra cómo nuestra técnica TSSE puede ser una tecnología transformadora para la industria mundial del agua ".

El proceso TSSE de Yip comienza mezclando un solvente de baja polaridad con la salmuera de alta salinidad. A bajas temperaturas (el equipo usó 5 ° C), el solvente TSSE extrae el agua de la salmuera pero no las sales (que están presentes en la salmuera como iones). Controlando la proporción de disolvente a salmuera, el equipo puede extraer toda el agua de la salmuera en el solvente para inducir la precipitación de sales; después de que toda el agua sea "succionada" por el solvente, las sales forman cristales sólidos y caen al fondo, que luego se pueden tamizar fácilmente.

Después de que los investigadores separaron las sales precipitadas, calientan el disolvente cargado de agua a una temperatura moderada de alrededor de 70 ° C. A esta temperatura más alta, la solubilidad del solvente en agua disminuye y el agua se exprime del solvente, como una esponja. El agua separada forma una capa debajo del solvente y tiene mucha menos sal que la salmuera inicial. Se puede extraer fácilmente con sifón y el disolvente regenerado se puede reutilizar para el siguiente ciclo de TSSE.

"No esperábamos que TSSE funcionara tan bien como lo hizo, "Yip dice". De hecho, cuando hablábamos de su potencial para ZLD, pensamos todo lo contrario, que el proceso probablemente fallará en algún momento cuando haya demasiada sal para que siga funcionando. Así que fue una grata sorpresa cuando convencí al investigador principal, Chanhee Boo, de que lo probara. por el gusto de hacerlo, un viernes por la tarde y obtuvimos excelentes resultados ".

Con una alimentación de salmuera simulada (preparada en laboratorio) de 292, 500 partes por millón de sólidos disueltos totales, El grupo de Yip pudo precipitar más del 90% de la sal en la solución original. Además, los investigadores estimaron que el proceso utilizó solo alrededor de una cuarta parte de la energía requerida para la evaporación del agua, un ahorro de energía del 75% en comparación con la evaporación térmica de la salmuera. Reutilizaron el solvente durante varios ciclos sin una pérdida notable de rendimiento, demostrando que el solvente se conservó y no se gastó durante el proceso.

Luego, demostrar la aplicabilidad práctica de la tecnología, el equipo tomó una muestra de campo de salmuera de alta salinidad, el concentrado de agua de drenaje de riego en el Valle Central de California, donde el agua de drenaje de riego es difícil y costoso de tratar, y logró ZLD con TSSE.

Los métodos de destilación convencionales requieren vapor de alta calidad y con frecuencia se complementan con electricidad para alimentar bombas de vacío. Debido a que TSSE solo requiere entradas de temperatura moderadas, la energía térmica de bajo grado necesaria puede provenir de fuentes más sostenibles, como el calor residual industrial, geotermia de pozos poco profundos, y colectores solares de baja concentración.

"Con el disolvente adecuado y las condiciones de temperatura adecuadas, Podemos proporcionar opciones de gestión de concentrados rentables y ambientalmente sostenibles para instalaciones de desalinización en el interior, utilizar agua subterránea salobre para aliviar el estrés hídrico actual y pendiente, "Yip notas.

Además de gestionar los concentrados de desalinización interior, TSSE también se puede utilizar para otras salmueras de alta salinidad, incluido el reflujo y el agua producida a partir de la extracción de petróleo y gas, corrientes de desechos de las centrales eléctricas de vapor, descargas de instalaciones de carbón a productos químicos, y lixiviados de vertederos. El grupo de Yip continúa investigando los mecanismos de trabajo fundamentales de TSSE, para diseñar mejoras adicionales en su desempeño. Este trabajo incluye más pruebas con muestras reales del campo, as well as optimization of the overall process.

The study is titled "Zero Liquid Discharge of Ultrahigh Salinity Brines with Temperature Swing Solvent Extraction."