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:
