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viernes, 7 de diciembre de 2012

Agua

Queridos lectores,

Luis Cosin me ha enviado este interesante ensayo sobre la relación entre agua y energía. Espero que a Vds. también les resulte de utilidad.

Salu2,
AMT


AGUA: ABUNDANCIA, TRATAMIENTO, USOS Y CONSIDERACIONES ENERGÉTICAS


1. Abundancia y propiedades

El agua, (químicamente óxido de hidrógeno, H2O) es probablemente la sustancia química más necesaria para el ser humano.

En nuestro planeta, apenas un 2,5% es agua dulce (no salada) y de ella, sólo un 30% (es decir, menos del 0,8% del total) es directamente aprovechable por el ser humano.

Es decir:

El agua aprovechable es muy escasa




Pensemos en cambio en la infinidad de usos que tiene ese exiguo 0,8%: Agricultura y ganadería, industria, fabricación y procesamiento de alimentos, consumo humano…

Y nos daremos cuenta de hasta qué punto es un bien preciado.

Hay libros enteros dedicados a la química del agua. En este post, intentaremos dar un paseo rápido desde el punto de vista de interés de este blog: las implicaciones energéticas de la obtención y el uso del agua.



2. Propiedades físicas y químicas fundamentales del agua

Gran parte de su importancia se debe a tres propiedades físicas fundamentales:

  • Tiene un gran calor específico, es decir, hace falta mucha energía para hacer aumentar su temperatura (1 kcal por kg de agua y grado Kelvin en estado líquido) lo que la convierte en un excelente refrigerante. Este uso es el que permite, por ejemplo, extinguir un fuego, ya que disminuye rápidamente la temperatura del material que arde.

Por este motivo, las grandes masas de agua (océanos, ríos y lagos) son enormes acumuladores de calor y con su inercia térmica contribuyen drásticamente a regular el clima y la temperatura, amortiguando los extremos y suavizando el clima.

Las corrientes de agua oceánica redistribuyen el calor solar por el planeta (que, sin ellas, tendría contrastes de temperatura mucho mas acusados, como los que hay, por ejemplo, en Marte, con máximas de 20ºC y mínimas de -80ºC en la misma zona).

  • Es líquida a temperatura ambiente, por lo que es un medio idóneo para reacciones químicas, disoluciones, refrigeración de aparatos... y fácilmente transportable mediante tuberías y almacenable en depósitos.

El agua es una de las pocas sustancias líquidas a la temperatura ambiente (entre 0 y 20ºC)”

Debido al dipolo eléctrico que hay en su molécula, que provoca una leve atracción entre las moléculas de agua, es líquida en un amplio rango de temperaturas (de 0 a 100ºC aproximadamente), algo poco frecuente.

  • Y es un disolvente excelente de sustancias inorgánicas (sales minerales) y orgánicas polares (detergentes, sales orgánicas, alcoholes y éteres…) debido a que es casi inerte (no reacciona fácilmente) y sus moléculas tienen un fuerte dipolo eléctrico:


Y así rodean y "aíslan" unos iones de otros, disolviendo el cristal.


Este proceso por el cual los iones se rodean de moléculas de disolvente se llama solvatación y ocurre también con otras moléculas que presentan un dipolo más o menos marcado (amoniaco, sulfuro de hidrógeno, alcoholes… etc.).

Sin embargo, el caso del agua es especial, ya que se trata de la molécula más pequeña y abundante con estas características y, por tanto, disuelve con facilidad gran cantidad de sustancias y muchas de ellas prácticamente en cualquier proporción. Podemos comprobar esto, por ejemplo, tratando de disolver sal en un vaso pequeño de agua. El agua puede disolver varias veces su peso en sal.

Las sustancias disueltas tienen un “desmenuzamiento” en partículas tan pequeñas que la luz las atraviesa sin perturbaciones. Es por esto que las disoluciones son transparentes para la luz ordinaria.

El agua limpia es transparente, pero el agua transparente no es necesariamente limpia”

Debido a su condición de excelente disolvente, el agua en estado natural nunca es pura, sino que acumula casi todo tipo de sustancias con las que entra en contacto:

  • Minerales, principalmente carbonatos y bicarbonatos de magnesio, calcio y estroncio (agua dulce), cloruros, bromuros y yoduros de sodio y potasio (agua marina), y los propios de los lugares por los que pasa: fosfatos, nitratos, sulfatos, metales pesados (de peso atómico mayor que el del hierro: plomo, zinc, mercurio y cadmio que en altas concentraciones son tóxicos para los seres vivos). También puede disolver sustancias radiactivas que se encuentran en minerales naturales o bien proceden de vertidos de instalaciones que utilizan estos materiales.
  • Gases, principalmente dióxido de carbono, oxígeno y nitrógeno de la atmósfera.
  • Ácidos y bases, que son sustancias que alteran el pH del agua, modificando su comportamiento químico y haciendo que sea más propensa a reaccionar con ciertos tipos de sustancias u otras.

El pH es el logaritmo negativo (el “exponente”) de la concentración del ión H3O+, que se genera espontáneamente según la reacción reversible:

2H2O <-> H3O+ + OH-

Normalmente, el ión H3O+ se representa simplemente como H+, por simplicidad en las fórmulas, ya que se sobrentiende que se asocia a una molécula de agua del medio. Las concentraciones de H3O+ y OH- se mantienen en equilibrio: un aumento de una de las especies “absorbe” a la otra y disminuye su concentración.

Ciertas sustancias, como los carbonatos de la roca caliza y las sales de aluminio y metales pesados, se disuelven en pH ácido (pH bajo, es decir, alta concentración de ión H3O+) y otras, en pH básico (pH alto, es decir, alta concentración de OH-).

El pH ácido favorece la proliferación de bacterias, mientras que el básico permite que se desarrollen mejor las levaduras y los hongos (la acidez los mata).

Fuentes de acidez son gases como el CO2 (de la atmósfera) y los óxidos de azufre (SO2 y SO3) y nitrógeno (NO2 y NO3), procedentes de humos de combustión, que reaccionan con el agua formando ácidos más o menos fuertes:

CO2 + H2O <-> H++ HCO3- (bicarbonatos) <-> 2H+ + CO32- (carbonatos)

SO2 + H2O <-> 2H+ + SO3- (sulfitos)…etc.

Y la fermentación de materia orgánica, que produce ácido acético y sus derivados.

Fuentes de alcalinidad (básicas) son principalmente la roca caliza (carbonato de calcio, magnesio y estroncio) que se disuelve parcialmente en agua para formar bicarbonatos y forma un “tampón” (es decir, un sistema que mantiene estable el pH).

CaCO3 + H2O <-> Ca2+ + HCO3- + OH-

El exceso de acidez o alcalinidad puede hacer el agua inutilizable para procesos industriales y/o el consumo humano, dañar infraestructuras (por corrosión y formación de cálculos) y afectar al medio ambiente.

La acidificación del agua es muy peligrosa porque corroe y disuelve las estructuras metálicas (tuberías, bombas, conductos…etc.) y facilita el arrastre de plomo, cobre y otros metales. Cuando el agua acidificada se filtra al terreno, “moviliza” los metales pesados que se encuentren en las rocas y éstos pasan a disolverse en ella.

  • Sustancias orgánicas solubles, como los haluros orgánicos (sustancias orgánicas en las que el hidrógeno es sustituido parcialmente por cloro, bromo y yodo), procedentes del tratamiento de aguas de alto contenido en materia orgánica con cloro (como los peligrosos halometanos HCCl3, HCBr3 ), fertilizantes organofosforados, plaguicidas procedentes de la agricultura, purines, jabones, detergentes y otros tensioactivos, que modifican la tensión superficial del agua, y con ello dificultan o impiden el desarrollo normal de los procesos biológicos… etc.
 Termodinámicamente, la disolución de una sustancia en agua produce un aumento de entropía del sistema, ΔS >0, por lo que, según la ley de Gibbs, la variación de energía libre ΔG = ΔH – T ΔS es negativa para T suficientemente grande (lo que es condición de espontaneidad) y la disolución de cualquier sustancia en agua es espontánea a partir de cierta temperatura.


Esto quiere decir también que eliminar una sustancia disuelta en el agua requiere la realización de un trabajo, es decir un aporte de energía.

Como conclusión de lo anterior, podemos afirmar que:

El agua tiende de forma espontanea a acumular sustancias disueltas y en suspensión. Conseguir agua limpia a partir de agua sucia requiere esfuerzo y el consumo de energía”



3. Contaminación del agua

Ninguna otra sustancia puede cumplir las funciones que cumple el agua de forma tan eficiente y, además, el agua es indispensable para que la vida pueda realizar su química: agricultura, ganadería y el propio ser humano necesitan un suministro regular de agua para sobrevivir.

Sin embargo, por sus propiedades, el agua contiene siempre contaminantes. Además de sólidos y gases disueltos, que son invisibles, el agua suele contener o arrastrar consigo otro tipo de sustancias:

  • Sólidos en suspensión, que son pequeñas partículas desde varias micras de diámetro (una micra es una millonésima de metro) a décimas de milímetro. No son visibles a simple vista pero producen el efecto de “turbiedad”.
  • Emulsiones, como las que produce el jabón en las grasas y sustancias orgánicas. Los jabones tienen moléculas orgánicas largas, con un extremo hidrófilo (polar) y otro hidrófobo (cadena de hidrocarburo).


Cuando las moléculas de jabón entran en contacto con el agua, forman “bolitas” llamadas “micelas” orientadas con su extremo hidrófilo hacia el exterior. Estas bolitas pueden almacenar en su interior sustancias hidrófobas como aceites y, grasas.


La mayor parte de las sustancias orgánicas insolubles se encuentran en el agua en forma de emulsiones.

  • Contaminación biológica: bacterias, virus y protozoos, que pueden ser o no patógenos, es decir generadores de enfermedades: cólera, gastroenteritis, algunos tipos de hepatitis...

  • Y materia orgánica inerte (no viva), procedente de residuos orgánicos. Se mide en DBO por litro (demanda biológica de oxígeno, que es la cantidad de oxígeno consumida por bacterias aerobias para degradar toda la materia orgánica presente). A mayor DBO, mayor contaminación por materia orgánica. Los contaminantes orgánicos más peligrosos son el petróleo y sus derivados (como plásticos y disolventes, procedentes principalmente de la industria y el alcantarillado), los excrementos, purines y residuos procedentes de desagües y alcantarillas.

Las fuentes de contaminación más habituales son:

  • Las aguas negras generadas por los desechos de la población tanto de los hogares como de la agricultura, fábricas y establecimientos sanitarios.
  • Los restos que provienen de las casas particulares y hospitales, que contienen mayoritariamente: papel, jabón, aceites, grasas, detergentes, orina y heces.
  • Los contaminantes de los desechos industriales: ácidos, metales pesados, pinturas, papel, detergentes, jabón, sustancias orgánicas y contaminación térmica.
  • La agricultura produce restos de fertilizantes y pesticidas en el agua.

Una máxima en ecología es que:

La mayor parte de las sustancias contaminantes acaban de una u otra forma en el agua y, gracias a ella, se acaban extendiendo por el medio y alcanzan la cadena trófica”


4. Tratamiento del agua

El agua debe sufrir un tratamiento previo a su uso, cuya severidad dependerá de las condiciones en las que se capte (cuán contaminada esté y que tipo de contaminación haya) y el uso previsto (uso industrial, regadío, consumo humano…etc.).

Las aguas residuales normalmente serán tratadas con los mismos procedimientos, aunque en este caso serán menos severos, ya que el objetivo es dejar la cantidad de contaminantes dentro de los límites autorizados para su vertido.

Tanto para agua de consumo como para agua residual, el esquema típico de tratamiento tiene tres fases (primaria, secundaria y terciaria) y es el siguiente:



5. Tratamiento primario

En la fase de pretratamiento y tratamiento primario se procede a eliminar los contaminantes de mayor tamaño que el agua arrastra:



  • Filtrado de los residuos de mayor tamaño.
  • Floculación (para eliminar las partículas en suspensión y las emulsiones), consistente en el uso de sustancias floculantes (por ejemplo una mezcla de 80% de sulfato de aluminio y 20% de sulfato de cobre) que disueltas en agua actúan como “pegamento” entre las partículas en suspensión y las micelas de las emulsiones. De este modo, las partículas forman agregados más pesados que finalmente precipitan al fondo en tanques de precipitación. Este tratamiento es habitualmente necesario en aguas procedentes de ríos y embalses.
  • Decantación de arenas y floculado en tanques y separación de lodos.
  • Tratamiento e inertización de lodos.

El subproducto del tratamiento primario son fangos, que deben recibir un procesado específico antes de poder ser tratados como RSU (residuo sólido urbano):

  • Espesamiento, con espesantes (por ejemplo, turba o arcilla molida).
  • Digestión por medio de bacterias anaeróbicas (lo que produce biogás, principalmente metano y CO2, que puede ser aprovechado como generador de energía en la propia planta) o aeróbicas (menos habitual, ya que requiere aireación de los lodos, aunque a cambio genera menos residuos).
  • Y deshidratación para reducir su peso y volumen (técnicamente, al compactado de fangos ya digeridos y deshidratados se le llama “torta”) hasta que son susceptibles de ser tratados como residuo sólido urbano o incinerados.

Estos lodos en general suponen un problema por la posible presencia de metales pesados en concentraciones altas y tienen su propia legislación aplicable. Por debajo de cierto nivel de contaminación, el mejor destino es el campo como abono o enmienda orgánica, luego el compostaje y como peores salidas están el depósito en vertedero y la incineración.






Se invierten millones de dólares todos los años en investigación científica para mejorar el aprovechamiento y la seguridad en el tratamiento de lodos de depuración de aguas”


6. Tratamiento secundario


El proceso de depuración prosigue eliminado la fracción disuelta, por varias vías:

  • Bacterias aerobias que oxiden (“quemen”) las sustancias disueltas (esto requiere agitar y oxigenar el agua). De esta forma, se eliminan purines, alcoholes, jabones, grasas… etc.
  • Adicionalmente, puede ser necesario corregir el pH. Las aguas alcalinas se corrigen añadiendo ácidos de fabricación industrial como el ácido clorhídrico HCl o el sulfúrico HSO3 (lo que puede provocar la disolución de sales de metales pesados que hubiese en el medio). Las aguas ácidas, que suelen arrastrar metales pesados, se pueden corregir con sosa cáustica, NaOH, que también es de fabricación industrial, lo que provoca la precipitación de parte de los carbonatos de calcio, magnesio, estroncio y metales pesados.

Esta fase suele producir decantación adicional (decantación secundaria) que será tratada igual que en la fase primaria.


Una pequeña alteración del pH puede cambiar radicalmente la composición química del agua”


7. Tratamiento terciario


Son todos los tratamientos físico-químicos destinados a afinar algunas características del agua efluente de la depuradora de cara a su empleo para un fin determinado. Los más habituales son:

  • Higienización, destinada a eliminar la presencia de virus y gérmenes del agua. Se puede hacer por medios físicos (rayos UV de una lámpara y rayos gamma procedentes de una fuente radiactiva, que destruyen la mayor parte de las bacterias y los virus que hubiese en ese momento) y químicos (cloración y ozonificación, que tienen la ventaja de ser tratamientos de efectos algo más duraderos, con lo que se puede garantizar que el agua se mantenga desinfectada durante un tiempo determinado).

El tratamiento con ozono (O3, que es un gas muy reactivo, fuerte oxidante) oxida todas las sustancias orgánicas, inactiva los pesticidas y los organismos patógenos (virus y bacterias). Pero su efecto es de corta duración, ya que el ozono es una molécula inestable.

La cloración es, con gran diferencia, el método más habitual y consiste, esencialmente, en la adición de cloro gas (Cl2) o una sal de hipoclorito (hipoclorito sódico, NaClO también conocida como “lejía” común, o hipoclorito de calcio Ca(ClO)2). En todos los casos, se produce una hidrólisis (reacción con la molécula de agua) que genera ácido hipocloroso en disolución:

Cl2 + H2O <-> ClH (ácido clorhídrico) + HClO (ácido hipocloroso)

NaClO + H2O <-> NaOH (sosa cáustica) + HClO (ácido hipocloroso)

El ácido hipocloroso es un ácido débil, y se descompone parcialmente en agua según la reacción:

H2O + HClO <-> H3O + + ClO-

El ácido hipocloroso es un agente desinfectante muy eficiente, y no interesa que se descomponga completamente, por lo que es necesario que el agua se mantenga con un pH neutro o ligeramente ácido (con los peligros que eso supone). A medida que el HClO se va “gastando”, el equilibrio anterior se va desplazando hacia la izquierda, lo que mantiene estable la concentración de HClO.

Así, el ión ClO- actúa como una “reserva de cloro” y se puede calcular la cantidad necesaria para mantener las condiciones de seguridad en el agua el tiempo necesario.

Una de las desventajas del uso de cloro y derivados es que reaccionan con la materia orgánica y dan lugar a trihalometanos (THM) muchos de los cuales son tóxicos o carcinogénicos. Otro inconveniente es la formación de clorofenoles en aguas que contienen fenoles (típicamente, aguas con materia orgánica en descomposición), lo que daría lugar a malos olores. Por último el cloro también reacciona con el amoniaco disuelto en el agua (procedente, por ejemplo, de purines) para formar cloraminas. Estos productos son de larga permanencia en el agua y por ello a veces se han usado como reserva de cloro residual. Presentan dos grandes inconvenientes: pueden dar lugar a olores y sabores y son potencialmente tóxicas de forma crónica.

La cloración del agua es un compromiso delicado entre calidad y seguridad”



  • Paso por filtros de carbón activo, que es un material de muy alta porosidad (mucha superficie por unidad de peso). Un solo gramo de carbón activo puede tener un área superficial de 500 m² o más. El agua se hace pasar por un filtro lleno de este material y, como resultado, las moléculas e iones más grandes quedan “atrapados” en los nanoporos del mismo:


Los filtros con carbón activado se utilizan generalmente en la purificación de aire, agua y gases, para quitar vapores de aceite, sabores, olores y otros hidrocarburos del aire y de gases comprimidos.



  • Ósmosis inversa, es un procedimiento para eliminar el exceso de minerales y sustancias disueltas, por ejemplo, en las desalinizadoras de agua de mar, o para reducir la dureza (contenido en calcio, magnesio y estroncio) del agua de ríos y manantiales. La gama de usos industriales de este proceso es enorme: elaboración de concentrados, eliminación de olores y sabores, de sustancias tóxicas…etc.

Consiste esencialmente en el paso forzado (con presión) del agua a través de una membrana semipermeable (de poro muy fino, del orden de varios nanómetros) confeccionada habitualmente con poliamida o acetato de celulosa (este último material está en desaparición).

Los iones solvatados y las moléculas orgánicas, más voluminosos, no consiguen atravesar la membrana y son retenidos. El resultado es agua casi pura. Una membrana típica tiene un rechazo salino de entre 96.5-99.8%.

Previamente, y para evitar que la membrana se colmate prematuramente (es decir, que se “tapone”) puede ser necesario que el agua atraviese uno o varios filtros de carbón activado.


Mediante ósmosis inversa se consigue, por ejemplo, que el agua bruta que llega a una desaladora se convierta por un lado en un 40% de agua producto y un 55-60% de agua salobre. El principal inconveniente es el elevado consumo energético. Una desaladora típica tiene un consumo de 2,9 kWh por m3 tratado.

8. Consideraciones energéticas y ambientales


El ciclo completo del agua en un entorno urbano (captación, depuración y tratamiento para el consumo, depuración de agua residual y vertido) supone el consumo de entre 3 y 6 kWh por m3 tratado, dependiendo de la calidad del agua captada, el tipo de tratamiento, la distancia…etc.

Teniendo en cuenta que el consumo anual de una ciudad como Madrid (5 millones de habitantes) es de 500 millones de metros cúbicos, es fácil hacerse una idea del coste energético que esto supone.

Haciendo una aproximación de 1bep = 160 KWh, estamos hablando de entre 9 y 18 millones de barriles de petróleo equivalentes al año.

Según la Agencia de protección ambiental de Estados Unidos (EPA), "...se consumen aproximadamente 56.000 millones de kilovatios hora (kWh) en servicios de agua potable y aguas residuales. Suponiendo el uso medio de las fuentes de energía del país, esto equivaldría a una emisión de 45 millones de toneladas de gases de efecto invernadero a la atmósfera. Un ahorro energético de sólo el 10% en este sector supondría un ahorro colectivo de unos 400 millones de dólares al año." (*)”


Quizá gran parte de esa agua se use para regar plantas o césped, o para el inodoro… con lo cual está evidentemente sobre-tratada. Se calcula que en los países desarrollados un tercio del consumo doméstico de agua se emplea en los inodoros. Implementar un doble circuito de agua (separar el agua potable de la sanitaria, que tiene requerimientos mucho menos exigentes) y clasificar aguas residuales según su fuente, para reaprovecharlas (algo mucho más sencillo si no contienen sustancias venenosas como metales pesados) son vías que aún están en pañales pero deberían ver un desarrollo notable en los próximos años.

Usamos agua de calidad “potable” para usos que no requieren esa calidad”

Muchos productos de la vida diaria esconden detrás de su proceso de obtención enormes consumos de agua:


Para fabricar una taza de café son necesarios 140 litros de agua (para el cultivo, producción y empaquetado de los granos de café). Para obtener un trozo de queso de 500 gramos serían necesarios unos 2.500 litros de este recurso; para un litro de leche, más de 3.000; para un kilo de carne de res, más de 10.000...

En el menú diario, un consumidor emplea entre 2.000 y 5.000 litros de 'agua virtual'”

Por otro lado, a medida que el uso humano del suelo se extiende, se incrementan los contaminantes de origen humano en los ríos, manantiales y acuíferos, lo que supone una necesidad de tratamiento más agresivo (y más costoso energética y ambientalmente).

Nueva York es un ejemplo muy interesante de la utilidad que tiene preservar la naturaleza para garantizarse un suministro de agua de calidad y a un coste bajo.


El incremento de la población y del consumo per cápita obliga también al uso de acuíferos de peor calidad, o incluso al reaprovechamiento de aguas residuales. Por ejemplo, en las áreas secas, donde el agua se toma de ríos y embalses con alta DBO, el tratamiento agresivo con cloro incrementa la presencia de los peligrosos halometanos.

Bangladesh, uno de los países con mayor densidad de población del planeta tiene un serio problema con sus acuíferos, que están contaminados con arsénico:


El agua fósil (acuíferos subterráneos, depósitos naturales de agua a gran profundidad, generados lentamente a lo largo de millones de años) está en peligro en muchos sitios, debido a la sobreexplotación. El gran acuífero de Ogallala, en el centro-oeste de EEUU, se ha reducido a menos de la mitad en los últimos 50 años. Las consecuencias sobre la población y la agricultura de la región son incalculables.


Todos estos fenómenos conducen invariablemente a una mayor escasez de agua de calidad, y un mayor esfuerzo energético para obtenerla.



Referencias: