Estados Unidos y muchas otras partes del mundo se tambalean por los impactos de una sequía severa. Una posible solución es la desalinización del agua de mar, pero ¿es una bala de plata?

El oeste de los Estados Unidos está experimentando lo que un paleoclimatólogo llamó "potencialmente la peor sequía en 1, 200 años. "La región ha tenido muchas sequías en el pasado, incluidas las "mega sequías" de las últimas décadas, pero el cambio climático está haciendo que los años secos sean más secos y los años húmedos más húmedos. Las temperaturas más altas calientan el suelo y el aire más rápido, y el aumento de la evaporación seca el suelo y disminuye la cantidad de precipitación que llega a los embalses. El calentamiento también conduce a una menor cantidad de nieve necesaria para reponer los ríos, arroyos, embalses y humedecer el suelo en primavera y verano.

Alrededor del 44 por ciento de los EE. UU. Está experimentando algún nivel de sequía con casi el 10 por ciento en "sequía excepcional". Los incendios forestales actualmente se desatan en 13 estados, exacerbado por las condiciones cálidas y secas. Ha habido cortes de agua sin precedentes en el río Colorado, que suministra agua a siete estados, y cierres de plantas de energía hidroeléctrica. Los acuíferos de las ciudades que dependen del agua de pozo se agotan, obligando a los residentes a cargar agua en camiones. Normalmente, la agricultura consume más del 90 por ciento del agua en muchos estados del oeste, pero la sequía ha hecho que los rendimientos caigan en picado; algunos agricultores han reducido su superficie o han cambiado sus cultivos por otros menos intensivos en agua, mientras que otros probablemente quebrarán. Los ganaderos tienen que vender partes de sus rebaños. Pero incluso mientras los lugareños lidian con estas dificultades, más personas se están mudando al área.

Entre 1950 y 2010, La tasa de crecimiento del suroeste fue el doble que la del resto del país. Se espera que la población de EE. UU. Continúe creciendo hasta 2040, con más de la mitad de ese crecimiento en áreas que han experimentado una sequía severa en los últimos diez años. Muchas personas continúan mudándose a un área que se espera que se vuelva aún más seca en los próximos años, tal como el último informe del IPCC predice que el cambio climático intensificará las sequías en estas regiones.

Todos los demás continentes del mundo también están experimentando una grave sequía, excepto la Antártida. Y la ONU ha advertido que 130 países más podrían enfrentar sequías para 2100 si no hacemos nada para frenar el cambio climático. Pero tan pronto como en 2025, dos tercios de la población mundial podrían sufrir escasez de agua, según el Fondo Mundial para la Naturaleza. Esto podría resultar en conflictos, inestabilidad política, y el desplazamiento de millones de personas.

La escasez de agua dulce también puede dificultar la descarbonización de la sociedad, algo que debemos hacer para prevenir un cambio climático catastrófico, porque algunas estrategias para hacer esto podrían estresar aún más los recursos hídricos. Hidrógeno verde, visto como clave para eliminar las emisiones de la aviación, Envío, camionaje, e industria pesada, se produce por electrólisis, que divide el agua en hidrógeno y oxígeno. Sin embargo, el proceso requiere grandes cantidades de agua purificada. Una estimación es que se necesitan nueve toneladas para producir una tonelada de hidrógeno, pero en realidad, el proceso de tratamiento utilizado para purificar el agua requiere el doble de agua impura. En otras palabras, Realmente se necesitan 18 toneladas de agua para producir una tonelada de hidrógeno verde. Energía nuclear, visto por el IPCC como una herramienta importante para lograr nuestros objetivos climáticos, también depende del agua dulce para enfriar, pero a medida que aumenta la escasez de agua, las plantas nucleares pueden verse obligadas a reducir su capacidad o cerrar.

Donde hay agua

Si bien la mayor parte de nuestro planeta está cubierta por agua, solo el tres por ciento es agua dulce y solo un tercio está disponible para los humanos, ya que el resto está congelado en los glaciares o es inaccesible en las profundidades subterráneas. Mientras tanto, el calentamiento global continúa derritiendo más glaciares cada año y aumentando la evaporación, disminuyendo nuestros recursos de agua dulce.

Como resultado de la escasez de agua, algunas partes del mundo han recurrido a la desalinización para beber agua. La desalinización (desalación) consiste en eliminar la sal y los minerales del agua salada, generalmente agua de mar. Este proceso ocurre naturalmente cuando el sol calienta el océano; el agua dulce se evapora de la superficie y luego cae en forma de lluvia. Las regiones áridas como el Medio Oriente y el norte de África han dependido durante mucho tiempo de la tecnología de desalación para obtener agua dulce. Hoy en día, más de 120 países tienen plantas de desalinización y Arabia Saudita produce más agua dulce a través de la desalinización que cualquier otra nación. Estados Unidos también tiene varias plantas desaladoras, la más grande del hemisferio occidental ubicada en Carlsbad, CALIFORNIA. Una nueva planta desaladora de $ 1.4 mil millones en Huntington Beach, Es probable que la CA se apruebe pronto.

Enfoques de desalación

La desalación generalmente se realiza de dos maneras. La destilación térmica implica hervir agua de mar, que produce vapor que deja atrás la sal y los minerales. Luego, el vapor se recolecta y se condensa mediante enfriamiento para producir agua pura. El segundo método es la filtración por membrana que empuja el agua de mar a través de membranas que atrapan la sal y los minerales en un lado y dejan pasar el agua pura.

Antes de la década de 1980, El 84 por ciento de la desalación utilizó el método de destilación térmica. Hoy dia, Aproximadamente el 70 por ciento de la desalación mundial se realiza con un método de filtración por membrana llamado ósmosis inversa porque es el método más económico y eficiente. En ósmosis natural, las moléculas se mueven espontáneamente a través de una membrana desde una solución con menos sustancias disueltas a una solución más concentrada, igualando los dos lados. Pero en ósmosis inversa, el agua más salada se mueve a través de una membrana hacia una solución menos salada. Porque esto está trabajando contra la ósmosis natural, La ósmosis inversa requiere alta presión para empujar el agua a través de las membranas semipermeables. A continuación, se esteriliza el agua dulce resultante, generalmente con luz ultravioleta.

Preocupaciones por la desalinización

Aunque la desalación puede ser la única solución para algunas regiones, es caro, consume una gran cantidad de energía y tiene impactos ambientales perjudiciales.

"La desalinización del agua de mar es una de las formas más caras de obtener agua, "dijo Ngai Yin Yip, profesor asistente de ingeniería ambiental y de la tierra en la Universidad de Columbia. "Esto tiene que ver con el hecho de que sacar sal del agua no es algo fácil de hacer. Pero tenemos que tener agua, simplemente no hay sustituto para el agua. Por lo tanto, puede ser costoso. Pero el hecho de que no podemos sobrevivir sin agua significa que es un costo necesario ".

Las instalaciones de desalación a gran escala son muy caras de construir y las plantas consumen una gran cantidad de energía. Las plantas de destilación térmica requieren energía para hervir el agua en vapor y electricidad para impulsar las bombas. La ósmosis inversa no requiere energía para generar calor, pero depende de la energía para que la electricidad impulse sus bombas de alta presión. Además, el ensuciamiento de las membranas por sales menos solubles, productos químicos, y los microorganismos pueden afectar su permeabilidad y reducir la productividad, agregando a los costos operativos y de mantenimiento.

Según Yip, la forma más económica de realizar la desalinización es apuntar a fuentes de agua que contengan menos sal, como el agua subterránea. "Cuanto menos sal haya, cuanto menos trabajo tengas que hacer para sacarlo, ", dijo." Así que desde una perspectiva puramente económica, el agua subterránea sería más económica que el agua de mar ". La desalinización del agua subterránea se puede realizar de manera sostenible en lugares donde es abundante. Pero donde está disminuyendo, la extracción de agua subterránea puede provocar el hundimiento de la tierra, o en zonas costeras, a la intrusión de agua salada del acuífero. Si no hay agua subterránea disponible, Yip siente que la ósmosis inversa del agua de mar es la mejor tecnología para usar.

Muchas plantas de Oriente Medio, sin embargo, utilice plantas térmicas más antiguas que funcionen con combustibles fósiles. Como resultado, Actualmente las desaladoras son responsables de emitir 76 millones de toneladas de CO ₂ cada año. Como se espera que aumente la demanda de desalación, Las emisiones globales relacionadas con la desalación podrían alcanzar los 400 millones de toneladas de CO ₂ por año para 2050.

La desalinización también tiene impactos en el medio marino debido a la cantidad de salmuera que produce. Por cada unidad de agua pura que se produce, Se obtienen aproximadamente 1,5 unidades de salmuera concentrada, dos veces más salada que el agua de mar y contaminada con cobre y cloro que se utilizan para pretratar el agua para evitar que ensucie las membranas. Globalmente cada día se descargan más de 155 millones de toneladas de salmuera en el océano. Si se libera salmuera en una zona tranquila del océano, se hunde hasta el fondo donde puede amenazar la vida marina. Un estudio de 2019 de la planta desaladora de Carlsbad cerca de San Diego que diluye su salmuera antes de liberarla, encontró que no hubo impactos directos en la vida marina, sin embargo, los niveles de sal excedieron los límites permitidos y la columna de salmuera se extendió más lejos de la costa de lo permitido.

Mejora de la desalinización

Investigadores de todo el mundo están intentando resolver los desafíos de la desalación. A continuación, se muestran algunos ejemplos de algunas de sus soluciones.

Energía renovable

NEOM es una ciudad-estado inteligente futurista de $ 500 mil millones que se está construyendo en el noroeste de Arabia Saudita a lo largo de las costas del Mar Rojo. Para proporcionar agua a un millón de futuros residentes estimados, it will construct an innovative solar desal system comprising a dome of glass and steel 25 meters high over a cauldron of water. Seawater is piped through a glass enclosed aqueduct and heated by the sun as it travels into the dome. Allí, parabolic mirrors concentrate solar radiation onto the dome, superheating the seawater. As it evaporates, highly pressurized steam is released and condenses as fresh water, which is piped to reservoirs and irrigation systems. The system is completely carbon neutral and theoretically reduces the amount of brine waste produced. NEOM, expected to be completed in 2025, claims it will produce 30, 000 cubic meters of fresh water per hour at 34 cents per cubic meter.

The U.S. Army and the University of Rochester researchers have developed a simple and efficient method of desalinating water also dependent on the sun's energy. Using a laser treatment, they created a "super-wicking" aluminum panel with a grooved black surface that makes it super absorbent, enabling it to pull water up the panel from a water source. The black material, heated by the sun, evaporates the water, a process made more efficient because of its super-wicking nature. The water is then collected, leaving contaminants behind on the panel, which is easy to clean. It can be reconfigured and also be angled to face the sun, absorbing maximum sunlight, and because it is moveable, could easily be used by military troops in the field. Larger panels would potentially enable the process to be scaled up.

European companies are developing the Floating WINDdesal in the Middle East, a seawater desal plant powered almost entirely by wind energy. The floating semi-submersible plant is being built in three sizes, with the largest expected to be able to produce enough water for 500, 000 personas. The plants can be moved by sea, making them easy to mobilize for emergencies and can be deployed in deeper water where brine disposal would have less impact on marine life. Because they float, they will not be affected by rising sea levels.

Membranes

Membrane research is focused on increasing membrane permeability which would reduce the amount of pressure needed, reducing the fouling that occurs, and making membranes more resilient to high pressure.

A discovery by scientists at the University of Texas, Penn State and DuPont could improve the flow of water through membranes and increase their efficiency, which would mean that reverse osmosis would not require as much pressure. Using an electron microscope technique, the researchers discovered that the densely packed polymers that make up even the thinnest membranes could slow the water flow. The most permeable membranes are those that are more uniformly dense at the nanoscale, and not necessarily the thinnest. The discovery could help makers of membranes improve their performance.

Reverse osmosis desal is hindered when microorganisms grow on the membrane surface, slowing the flow of water. Some coatings that have been used to prevent this "biofouling" of membranes are hard to remove, so they result in more energy use as well as more chemicals released into the sea. King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) researchers created a nontoxic coating that adheres to the membrane and can be removed with a flush of high-saline solution.

Desal without membranes

Columbia University engineers led by Yip, developed a method called temperature swing solvent extraction (TSSE) that doesn't use membranes at all to desalinate. The efficient, escalable and low-cost technique uses a solvent whose water solubility—the amount of a chemical substance that can dissolve in water—changes according to temperature.

At low temperatures, the solvent mixed with salt water draws in water molecules but not salt. After all the water is sucked into the solvent, the salts form crystals that can easily be removed. The solvent and its absorbed water are then heated to a moderate temperature, enabling the solvent to release the water, which forms a separate layer below. The water can then be collected. Yip explained that the process is designed to deal with very salty water, which reverse osmosis cannot handle. Por ejemplo, the water that comes up during oil and gas extraction can be five to seven times saltier than regular seawater. The textile industry also produces very salty water because of the solutions it uses to dye cloth. According to Yip, TSSE is not the best way to obtain drinking water, but it could help replenish our water resources for other needs.

Brine

Brine impacts can be lessened by how much brine is discharged and how the desal process is carried out.

Stanford University researchers have developed a device that can turn brine into useful chemicals.Through an electrochemical process, it splits the brine into positively charged sodium and negatively charged chlorine ions. These can then be combined with other elements to form sodium hydroxide, hidrógeno, and hydrochloric acid. Sodium hydroxide can be used to pretreat seawater going into the desal plant to minimize fouling of the membranes. It is also involved in the manufacture of soap, papel, detergents, explosives and aluminum. Hydrochloric acid is useful for cleaning desal plants, producing batteries, and processing leather; it is also used as a food additive and is a source of hydrogen. Turning brine components into chemicals that have other purposes would decrease brine waste and its environmental damage, as well as improve the economic viability of desalination.

Diluting brine can also lessen its impacts. "You take more seawater, and you premix it [with the brine] in an engineered reactor, " said Yip. "Now the salinity of that mix is not two times saltier than seawater. It's still saltier than seawater, but it's lower. And instead of discharging it at one point, you discharge it at several points with diffusers. These are engineering approaches to try to minimize the impacts of brine, " él explicó.

Other solutions for the drought

Despite improvements in desal's environmental and economic profile, sin embargo, it is still an expensive solution to water scarcity. This is especially so given that most water in the U.S. is used for agriculture, taking showers, and flushing toilets. Newsha Ajami, the director of urban water policy at Stanford, said "I disagree with using tons of resources to clean the water up just to flush it down the toilet."

Water recycling

Paulina Concha Laurrari, a senior staff associate at the Columbia Water Center, said "Water reuse definitely has to be an important part of the solution. Our wastewater can get treated, either to potable standards, like it's been done in other parts of the world and even in California, or to a different standard that can be used for agriculture or other things."

Recycling the approximately 50 million tons of municipal wastewater that is discharged daily around the U.S. into the ocean or an estuary could supply 6 percent of the nation's total water use. Recycled water can be used for irrigation, watering lawns, parks and golf courses, for industrial use and for replenishing aquifers. The House of Representatives is considering a bill that would direct the Secretary of the Interior to establish a program to fund water recycling projects and build water recycling facilities in 17 western states through 2027.

The technology to recycle water has been around for 50 years. Wastewater treatment facilities add microbes to wastewater to consume the organic matter. Membranes then are used to filter out bacteria and viruses, and the filtered water is treated with ultraviolet light to kill any remaining microbes. The water can be used for agriculture or industry, or it can be pumped into an aquifer for storage. When it is needed for drinking water, it can be pumped out and repurified. If the water is for human consumption, some minerals are added back in to make it more drinkable.

Waste not

Every year in the U.S., approximately 9 billion tons of drinking water are lost due to leaking faucets, pipes and water mains, and defective meters. President Biden's $1.2 billion infrastructure plan includes substantial sums for upgrading clean drinking water and wastewater infrastructure.

En los EE.UU., 42 billion tons of untreated stormwater enter the sewage system and waterways and ultimately the ocean each year. This means that the rainwater that could soak into the ground to replenish groundwater supplies is lost. Green infrastructure, such as green roofs, rain gardens, árboles, and rain barrels, would reduce some of this water waste.

Sensible water use

It's also important to figure out how to put the water that's available to the best use in a particular area. "Por ejemplo, having a better planning strategy of what is the best use for water, like what to plant where, " said Laurrari. "Instead of using it, say, for alfalfa, how do we use it for higher value crops? Or even tell farmers, "I will pay you not to use this water' and the state can have it to replenish our aquifers or to source cities or something else."

Determining the most reasonable and economical uses for water would help everyone understand and appreciate its true value. "In some of these places where they're having droughts, there are still people who are watering their lawns, and happily paying the fine, " said Yip. "So really, there's a mismatch between what is happening and what the reality is. We need to adjust our activities such that we are not putting that kind of a human-imposed strain on the water supply. We need to be thinking about how we make drastic wholesale changes to the way we organize our activities that actually make sense."

Israel's example

Israel is located in one of the driest regions of the world and has few natural water resources, sin embargo, it is considered "the best in the world in water efficiency" according to Global Water Intelligence, an international water industry publisher.

Israeli children are taught about water conservation beginning in preschool, and adults are reminded not to waste water in television ads. Low-flow showerheads and faucets are mandatory, and Israeli toilets usually have two different flushing options for urine and bowel movements. The country adopted drip irrigation, which uses half the water than does traditional irrigation while producing more yield. Israel also resolutely attends to small leaks in pipes before they become large. Además, 75 percent of its wastewater is recycled, more than that of any other country. And because Israelis pay for their water themselves, they are careful about how much they use and readily adopt water-saving technology. As a result, it's estimated that the average Israeli consumes half as much water each day as the average American.

Israel began desalination in the 1960s. Today it has five desal plants with two more on the way and will soon get 90 percent of its water from desal.

While Israel has invested a lot of money in desal, it has also made huge investments in water awareness and water efficiency. These other measures enabled the country to delay building desal plants and build them more economically and smaller than they would otherwise have needed to be because the citizens were already conserving water.

101 things you can do

Here are 100 ways to conserve water.

And one more. "Become more actively involved with the decisions that government makes in terms of investments of infrastructure, " said Laurrari, "Because yes, you can conserve water at home, but what is really going to matter is what's done at the larger scale by politicians. So having a more active role, knowing where your water comes from, and what your local issues are is important."

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de Earth Institute, Universidad de Columbia http://blogs.ei.columbia.edu.