IV. LA HIDROSFERA. DESALINIZACIÓN DEL AGUA DEL MAR

LA NECESIDAD de agua en el hombre, los animales y las plantas es bien conocida. La vida se originó en los océanos y salió de ellos cuando aprendió a desarrollar una piel impermeable, para retener el agua con ella. Somos, sin duda, animales de agua, sólo que la tenemos por dentro, no por fuera.

La cantidad absolutamente indispensable para el mantenimiento de la vida de un adulto normal en el calor más intenso del desierto varía de 7 a 15 litros, según la temperatura y el tipo de actividad que realice. En clima templado, la cantidad de agua que el hombre necesita diariamente se calcula en 2 litros (Figura IV.1).

El agua se está convirtiendo en un bien escaso, ya que no cesa de aumentar su consumo como resultado del crecimiento de la población y el incremento del nivel de vida. En el tercer mundo, el consumo medio de agua por habitante es del orden de 50 litros diarios, mientras que en las naciones industrializadas sobrepasa los 500 litros por día (estos datos comprenden todos los usos).

La hidrosfera incluye los océanos, mares, ríos, agua subterránea, el hielo y la nieve. Los océanos cubren aproximadamente tres cuartas partes de la superficie terrestre, con una profundidad promedio de 3.5 km, lo que representa 97% del total de agua de nuestro planeta. En ellos se han encontrado al menos 77 elementos, siendo con mucho los más importantes Na y CI, que junto con el Mg y el bromo, Br, son de los pocos que se explotan comercialmente a partir del agua de mar. En la actualidad, se supone que prácticamente todos los elementos están presentes en los océanos (Cuadro IV.1).

CUADRO IV.1 Concentración de algunos elementos en 1 km³ de agua de mar

Elemento	Miles de toneladas	Elemento	Kg

Cl	21 485	U	3 360
Na	11 883	Ag	240
Mg	1 536	Ne	120
S	1 003	Th	48
Br	73	Au	4.8

Aunque propiamente no del agua de mar, sino debajo de ella, del lecho marino del Pacífico central, cerca de las islas de Hawai, se han iniciado las investigaciones para extraer nódulos de manganeso, Mn (del tamaño de una pelota de golf o una papa pequeña). Estos nódulos son una fuente renovable de minerales, ya que se forman a partir del manto al ritmo de entre 6 y 10 toneladas al año y contienen principalmente Mn y Fe, además de cantidades pequeñas de Ni, Cu, Co, Zn, Cr, U, W y Pb.

El agua dulce representa 3% del total y de esta cantidad aproximadamente 98% está congelada, de allí que tengamos acceso unicamente a 0.06% de toda el agua del planeta.

Desde los tiempos prehistóricos, los problemas suscitados por la cantidad y la calidad del agua fueron de solución imprescindible para la existencia de las agrupaciones humanas. Cuando el agua escaseaba, sobrevenía el éxodo de los pueblos, el abandono de terrenos que una vez fueron fértiles y aun la desaparición de culturas milenarias.

Expertos soviéticos prevén para el año 2015 el agotamiento de los recursos de agua consumible en las regiones habitadas del planeta. Sin embargo, en la Tierra estamos rodeados de agua salada. Si fuera posible quitar las sales del agua del océano mediante un proceso barato, podrían resolverse algunos de los problemas más urgentes de la humanidad. Las tierras áridas que cubren más de una tercera parte de la superficie de los continentes (la tierra de cultivo equivale sólo a una décima parte) podrían ser fértiles otra vez.

La conversión del agua de mar en agua dulce no es una idea nueva. La destilación, el método básico para hacerlo, se practica desde hace 2 000 años, particularmente por los marinos. El hombre primitivo hizo otro tanto, pero si procedía a la evaporación del agua era para obtener sal.

Hoy en día, tanto desde el punto de vista geográfico como económico, sólo en situaciones especiales se ha justificado la instalación de grandes plantas para desalar el agua de mar. El mejor ejemplo lo constituyen los países petroleros del Golfo Pérsico, donde hasta hace 35 años se tenía que importar agua dulce por barco a un costo exorbitante. A partir de entonces se han ido construyendo grandes destilerías de agua alimentadas por gas natural y petróleo.

Comentaremos ahora brevemente los principales procedimientos para desalar el agua de mar. Estos son:

Figura IV.3. La distribución geográfica de las capacidades instaladas de desalación, en miles de m³ / día (enero de 1980), muestra que con 4 200 000 m³ / día, el Oriente Medio representa el 61% del total. Le siguen los Estados Unidos, que totaliza el 13%. Europa no representa más que el 5 por ciento.

El procedimiento más simple y barato para destilar agua de mar consiste en el invernadero destilador. El agua salada se calienta en el interior de un invernadero por la acción de los rayos solares.

El vapor que se forma se condensa sobre los cristales, y las gotas de agua se recogen en un canal. Un destilador de este tipo funcionó, durante 40 años, en las salinas de Chile a finales del siglo pasado, donde suministraba 20 m³ por día de agua dulce. Sin embargo, las posibilidades de este sencillo procedimiento son limitadas, ya que la producción no puede sobrepasar los 4 o 5 litros por día y por m² de superficie de agua.

Para destilaciones a gran escala se emplea el método de evaporación súbita. Agua de mar bajo presión se calienta a 100ñ C y se introduce en una cámara que se encuentra a una presión menor. El resultado es una evaporación instantánea por descompresión, llamada destilación súbita. El vapor se condensa en tubos por los que fluye agua de mar fría, calentándola.

El agua dulce se separa, mientras que el agua salada no evaporada pasa a otra cámara que tiene una presión menor que la primera. La vaporización instantánea ocurre otra vez, la temperatura del agua salada disminuye, mientras que la del agua de mar que corre por los tubos, para condensar el vapor, aumenta.

En este procedimiento el intercambio de calor es muy eficiente. Cuando agua de mar a 20ñ C es calentada a 100ñ C, evaporada en varias cámaras y eventualmente descargada a 30ñ C otra vez al mar, las pérdidas de calor son escasas.

En la actualidad esta técnica representa 70% de la capacidad instalada en la Tierra. Sus desventajas son la corrosión y las incrustaciones de sales como carbonato de calcio (CaCO₃), hidróxido de magnesio (Mg (OH)₂) y sulfato de calcio (CaSO₄).

Figura IV.5. Evaporación súbita. Diagrama del proceso. Mediante un proceso similar al que se ilustra, la planta de Shuaiba, en Kuwait, una de las mayores del mundo, produce casi 50 millones de litros de agua dulce por día, en cada una de sus unidades.

En estos procesos se utilizan membranas de plástico para permitir el paso selectivo de iones (electrodiálisis) o agua (ósmosis inversa).

La primera instalación para electrodiálisis data de 1960. El proceso consiste, como se muestra en la figura IV.6, de dos electrodos con cargas diferentes, separados por una serie de cámaras en las cuales se encuentran membranas aniónicas (es decir, son permeables únicamente a los aniones; por ejemplo, Cl ^-, S0₄^-2, etc.). Cuando no hay paso de corriente mediante los electrodos, cada compartimiento está lleno de agua salada. Al aplicarse la corriente eléctrica, los iones migran hacia el electrodo de polaridad opuesta, pasando por la membrana catiónica. El Na⁺, el Ca⁺² y el Mg⁺² se mueven hacia el electrodo negativo y se detienen al llegar a la membrana aniónica; lo mismo sucede con los aniones: migran a través de la membrana aniónica y son detenidos por la catiónica. Después de cierto tiempo se tienen compartimientos alternadamente llenos de salmuera y de agua dulce. Este proceso se emplea en Japón, la Unión Soviética, Israel, Estados Unidos y Holanda, entre otros países.

Figura IV.6. Principios de la electrodiálisis. (a) Conjunto de celdas separadas por membranas selectivas a los cationes (C) o a los aniones (A), antes de pasar la corriente eléctrica. (b) Después de pasar la corriente.

El segundo procedimiento con membrana, la ósmosis inversa, se ha desarrollado más recientemente. La ósmosis consiste en el transporte espontáneo de un disolvente de una solución diluida a otra más concentrada, a través de una membrana semipermeable.

Cuando se encuentran agua dulce y de mar en lados opuestos de una membrana que es permeable únicamente al agua, se observa un flujo de agua dulce al agua salada. Para que este fenómeno no se presente, es decir, para que no haya transferencia del disolvente que diluya la solución salada, se requiere aplicar una presión llamada presión osmótica. El proceso de ósmosis inversa consiste en aplicar sobre la solución concentrada en sales (agua de mar) una presión mayor que la osmótica. El agua pasa por medio de la membrana en dirección contraria, aumentando el volumen total del agua dulce.

Un gran problema que enfrentan los procedimientos de membrana son las incrustaciones de sales y los de depósitos de materias orgánicas presentes en el agua de mar; de allí que las unidades de ósmosis exijan un pretratamiento importante, particularmente filtración sobre arena o tierra de diatomeas.

Figura IV.7. Ósmosis. Si en un compartimiento hay agua pura y en el otro salada, se observa un flujo de la primera hacia el compartimiento con agua salada: es el fenómeno de la ósmosis. Si se intenta impedir este flujo de agua aplicando una presión sobre la solución más concentrada, disminuye la cantidad de agua que traspasará por ósmosis. Al aumentar dicha presión llegará un momento en que el flujo de agua se detendrá. Esta presión de equilibrio es la denominada presión osmótica.

El tercer método, objeto de intensos estudios en la actualidad, es el que consiste en desalar el agua de mar por congelación. Cuando el agua salada se congela, el hielo prácticamente no contiene nada de sal. Puede entonces obtenerse agua dulce a partir del congelamiento parcial del agua de mar, separando el hielo y luego derritiéndolo. La congelación supera a la destilación ya que se necesita menos energía para congelar el agua que para evaporarla, y en que no hay formación de depósitos minerales en las máquinas, como ocurre cuando se debe llegar a altas temperaturas. La mayor desventaja de este proceso consiste en la dificultad de eliminar la salmuera que tiende a adherirse a los cristales de agua dulce congelada.

El remolque de icebergs de las regiones polares a lugares que requieren agua dulce se relaciona con este proceso. Esta experiencia se realizó en 1890 y en 1900, cuando varios barcos arrastraron pequeños icebergs hasta Valparaíso, en Chile, y el Callao, en Perú, cubriendo una distancia de casi 4 000 km. Sin embargo, hay aún muchos problemas técnicos por resolver, como la ruptura del iceberg durante el viaje y la distribución del agua en el lugar requerido.

Las técnicas para desalar el agua de mar están bien establecidas. No obstante, el precio del metro cúbico de agua dulce producido es todavía muy alto, lo que las limita a los países ricos o a los que tienen energéticos baratos, como los países productores de petróleo.

Para terminar con el método de congelación, un detalle curioso. Hace unos 10 000 años, al término de la última glaciación en los glaciares de Groenlandia y la Antártida, se encontraba 80% del agua dulce del planeta en estado sólido. Una sociedad danesa está lanzando al mercado cubos de hielo cortados directamente de los icebergs. Al fundirse el hielo, las microscópicas burbujas de aire en él atrapadas hace miles de años, dan la efervescencia del agua gaseosa a las bebidas donde se colocan dichos cubos.

Se estima que para el año 2000 nuestro país tendrá una baja disponibilidad de agua dulce (entre 1 000 y 5 000 litros anuales por persona, es decir, aproximadamente de 3 a 15 litros diarios), de ahí que el conocimiento y la puesta en marcha de técnicas para desalar agua de mar resulten de particular importancia.

Sin embargo, el problema no se resuelve únicamente con importar grandes y costosos equipos del extranjero, sino que resulta imprescindible la capacitación del personal idóneo a diferentes niveles de organización.

A pesar de que en diversos estados funcionan plantas desaladoras, un ejemplo de la situación por la que atraviesan las plantas en México es el caso de Quintana Roo. En este estado hay varias plantas de ósmosis inversa, como las de Xcalak, cerca de Chetumal, Isla Contoy y Cozumel; no obstante, prácticamente todas ellas están abandonadas, ya sea por falta de refacciones (en la actualidad para este proceso más de 50% del equipo es de importación), o porque realmente nunca falta agua en las comunidades donde se instalaron.

Resulta entonces fundamental que el gobierno, a través de la SEDUE, emita políticas y normas sobre la tecnología para desalar agua de mar, de acuerdo con las circunstancias de nuestro país.

Nos estamos quedando sin agua dulce, por lo que tenemos que aprender a optimizar las diversas formas para desalar el agua de mar. Con esta idea concluye nuestro tránsito por la hidrosfera.

Figura IV.8. Disponibilidad proyectada de agua per capita en el inicio del nuevo siglo. Tomada de "Los recursos del mundo en el año 2000", Ciencia y Desarrollo, septiembre-octubre de 1983.

Candel, R., El agua en la vida, Libros de bolsillo, El Correo de la Unesco, Promoción Cultural, Barcelona, 1974.

Cifuentes, J. L., P. Torres García y M. Frías, El océano y sus recursos II. Oceanografía geológica y oceanografía química, VIII. El aprovechamiento de los recursos del mar, colección "La Ciencia para todos", 12 y 67, FCE, México, 1986 y 1988.

Maurel, A., "La desalinación del agua de mar", Mundo Científico 1, 296 (1981).

"Los recursos del mundo en el año 2000", Ciencia y Desarrollo (septiembre-octubre de 1983).