Impactos de condiciones operativas variables en el flujo y la eficiencia energética de la destilación por membrana con espacio de aire para la gestión de salmueras

Convertir aguas residuales salinas en un recurso

Las plantas de desalinización modernas alivian la escasez de agua pero generan un nuevo problema: grandes volúmenes de aguas residuales muy salinas, o salmueras, que son difíciles de eliminar sin dañar el medio ambiente. Este estudio explora una vía prometedora para extraer más agua dulce de esa salmuera usando una técnica llamada destilación por membrana con espacio de aire, analizando al mismo tiempo cuánta energía requiere y con qué rapidez se degrada el equipo. El trabajo muestra dónde se encuentra el punto óptimo entre obtener mucha agua limpia, controlar los costes energéticos y proteger el material filtrante dentro del sistema.

Cómo funciona el filtro impulsado por calor

La destilación por membrana con espacio de aire puede considerarse un proceso de evaporación suave y guiada. Agua salada caliente circula por un lado de una lámina delgada que repele el agua, mientras que agua fría fluye por el otro lado, separados por una pequeña cámara de aire. Debido a la diferencia de temperatura, moléculas de agua se evaporan de la solución salina caliente, atraviesan la membrana y el espacio de aire en forma de vapor, y luego se condensan como agua casi pura en el lado frío. La mayor parte de la sal queda en la corriente original, concentrándola aún más. Esta configuración puede manejar niveles de salinidad que son demasiado altos para muchos métodos comunes de desalinización, por lo que resulta atractiva para tratar salmueras residuales de plantas existentes.

Probando distintas velocidades y niveles de sal

Para determinar la mejor forma de operar este proceso, los investigadores variaron de manera sistemática dos perillas sencillas que un operador puede controlar: cuán salina es la salmuera entrante y qué tan rápido fluye a través de la unidad. Ensayaron tres niveles de salinidad típicos de salmueras concentradas (45, 55 y 65 gramos de sal por litro) y velocidades de flujo desde un goteo lento hasta un chorro vigoroso. Para cada condición midieron cuánto agua limpia atravesaba la membrana (flujo), qué tan eficaz era la retención de sal (rechazo de sal) y cuánta energía térmica se necesitaba por volumen de agua fresca producida. Al mismo tiempo, limitaron cada ensayo a seis horas para poder estudiar las etapas tempranas de acumulación y taponamiento en la superficie de la membrana sin confundirlas con daños a largo plazo.

Encontrando el mejor punto de operación

Los resultados revelan una conocida compensación de ingeniería. Aumentar la velocidad de la salmuera incrementó por lo general la tasa de producción de agua dulce, porque el líquido caliente cercano a la membrana permanecía bien mezclado y podía seguir evaporándose. Pero esta mejora tuvo un coste: en los niveles más altos de flujo y salinidad, más sal se filtró y la pureza del agua producida disminuyó. El consumo energético también cambió de forma no intuitiva. A flujos muy bajos, la energía por litro era alta porque se producía poca agua. Al aumentar el flujo, el consumo energético por litro disminuyó hasta un mínimo y luego comenzó a subir de nuevo a medida que crecían las demandas de bombeo y otras pérdidas. La operación más equilibrada surgió a un flujo moderado de alrededor de 2,0 litros por minuto y salinidad hasta 55 gramos por litro, donde el sistema entregó un rendimiento de agua saludable, eliminó más del 98 por ciento de la sal y mantuvo la demanda térmica en un rango más razonable para esta instalación de pequeña escala.

Qué le sucede a la superficie del filtro

Más allá de los números en un gráfico, el equipo quiso saber qué ocurría físicamente con el material de la membrana bajo estas condiciones. Usando microscopía electrónica compararon filtros sin usar con otros que habían funcionado durante 72 horas. El material nuevo mostró una red ordenada de poros, mientras que las muestras usadas exhibieron trayectos deformados y diminutos cristales de sal alojados en las aberturas, señales claras de ensuciamiento y bloqueo parcial. Una técnica separada de huella química confirmó que se habían formado nuevos compuestos y depósitos en la superficie. Estos cambios ayudan a explicar por qué flujos y salinidades extremadamente altos acaban perjudicando el rendimiento: a medida que se acumulan cristales y los poros comienzan a humedecerse, es más fácil que el agua salada se filtre, reduciendo la pureza del producto.

Por qué esto importa para la desalinización futura

En conjunto, el estudio muestra que la destilación por membrana con espacio de aire puede ajustarse para convertir salmueras difíciles de gestionar en agua limpia adicional, pero solo si se opera dentro de una ventana de condiciones controlada. Si es demasiado suave, el proceso malgasta energía; si es demasiado agresivo, los filtros se ensucian y permiten que más sal pase al agua tratada. Los autores sostienen que operar a flujo moderado con salinidades intermedias ofrece hoy un compromiso práctico, mientras que los sistemas futuros podrían usar diseños más inteligentes, recuperación de calor y monitorización digital para mejorar el rendimiento. Para el público general, el mensaje clave es que todavía hay agua dulce no explotada escondida en las corrientes residuales de las plantas de desalinización actuales y que, con ingeniería cuidadosa, puede recuperarse de forma eficiente y más respetuosa con el medio ambiente.

Cita: Mohamed, E.S., Azzam, A.M., Mohamed, A.T. et al. Impacts of variable operating conditions on flux and energy efficiency of air gap membrane distillation for brine management. Sci Rep 16, 12028 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36621-z

Palabras clave: desalinización de salmueras, destilación por membrana, tratamiento de agua, eficiencia energética, ensuciamiento