1. Reducción de boro en aguas procedentes
de la desalación
María Fernanda Chillón Arias

2. Facultad de Ciencias
Departamento de Ingeniería Química
REDUCCIÓN DE BORO EN AGUAS
PROCEDENTES DE LA DESALACIÓN
TESIS DOCTORAL
MARÍA FERNANDA CHILLÓN ARIAS
Alicante, Junio 2009
I

3. II

4. D. Daniel Prats Rico, Catedrático de Universidad, y D. Pedro José Varó Galváñ,
Profesor contratado Doctor (LOU), profesores del Departamento de Ingeniería Química
de la Universidad de Alicante,
CERTIFICAN: que Dña. MARÍA FERNANDA CHILLÓN ARIAS, Licenciada en
Ciencias Químicas, ha realizado bajo su dirección, en el Departamento de Ingeniería
Química de la Universidad de Alicante, el trabajo que con el título “REDUCCIÓN DE
BORO EN AGUAS PROCEDENTES DE LA DESALACIÓN”, constituye su memoria
para aspirar al Grado de Doctora en Ingeniería Química, reuniendo, a su juicio, las
condiciones necesarias para ser presentada y defendida ante el Tribunal
correspondiente.
Y para que conste a los efectos oportunos, en cumplimiento de la legislación
vigente, firmamos el presente Certificado en Alicante, a 10 de mayo de 2009.
Fdo. Daniel Prats Rico Fdo. Pedro J. Varó Galvañ
III

5. IV

6. AGRADECIMIENTOS
La presente investigación fue llevada a cabo en el Departamento de Ingeniería
química de la Universidad de Alicante, bajo la dirección de los doctores D. Daniel Prats
Rico y D. Pedro Varó a los que quiero expresar mi agradecimiento por su ayuda y
colaboración, fundamental durante la realización del mismo.
También quiero agradecer a Laureano Valero i Brú, a Esther Hernández y a todo
el personal de la desaladora “Canal de Alicante” su colaboración y apoyo en todo
momento, poniendo a nuestra disposición todas las facilidades y ayuda desinteresada.
A mi familia, sin cuyo apoyo moral hubiera sido imposible la realización del
presente trabajo.
Mi agradecimiento a la empresa estatal Aguas de las Cuencas Mediterráneas
S.A. por la financiación del proyecto de colaboración con el Instituto del Agua y de las
Ciencias Ambientales a partir del cual se ha desarrollado el presente trabajo de
investigación.
V

7. VI

8. A mi familia
VII

9. VIII

10. ÍNDICE
1. RESUMEN 001
2. INTRODUCCIÓN 007
2.1. LA QUÍMICA DEL BORO 011
2.1.1. Boro presente en el agua 014
2.1.2. Toxicidad del boro en seres vivos 018
2.2. SITUACIÓN DE LA DESALACIÓN EN EL MUNDO 021
2.3. TÉCNICAS APLICADAS A LA DESALACIÓN 029
2.3.1. Procesos de evaporación (destilación o procesos térmicos) 030
2.3.1.1. Evaporación súbita multietapa 032
2.3.1.2. Destilación múltiple efecto 034
2.3.1.3. Destilación por compresión de vapor 035
2.3.1.4. Destilación solar 037
2.3.2. Procesos de membranas 037
2.3.2.1. Electrodiálisis 038
2.3.2.2. Ósmosis inversa 042
2.3.3. Otros procesos de desalación 043
2.3.3.1. Congelación 043
2.3.3.2. Destilación con membranas 044
2.3.3.3. Depuración química o precipitación 044
2.4. TÉCNICAS DE ELIMINACIÓN DE BORO 047
2.4.1. Ósmosis inversa 047
2.4.1.1. Fundamentos 047
2.4.1.2. Transporte a través de las membranas de O.I. 051
2.4.1.3. Membranas de ósmosis inversa 063
2.4.1.4. Configuración de las membranas 066
2.4.1.5. Descripción de una planta de O.I. 068
2.4.1.6. Eliminación de boro en plantas de O.I. 072
2.4.2. Intercambio iónico 081
IX

11. 2.4.2.1. Materiales de intercambio iónico 083
2.4.2.2. Fundamentos 087
2.4.2.3. Configuración del proceso 092
2.4.2.4. Resinas selectivas de boro 094
2.4.3 Otras técnicas de eliminación de boro 099
2.5.OBJETO Y ALCANCE DE LA PRESENTE INVESTIGACIÓN 101
3. INSTALACIONES EXPERIMENTALES 103
3.1. PLANTA PILOTO DE ÓSMOSIS INVERSA 105
3.2. PLANTA PILOTO DE RESINAS DE INTERCAMBIO IÓNICO 107
3.3. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LAS MEMBRANAS DE
ÓSMOSIS INVERSA 109
3.3.1. Toray TM710 110
3.3.2. Hydranautics ESPA2-4040 111
3.3.3. Filmtec BW30-4040 112
3.4. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LAS RESINAS DE
INTERCAMBIO IÓNICO. 113
3.4.1. Rohm and Haas Amberlite IRA 743 113
3.4.2. Purolite S-108 114
3.4.3. Filmtec XUS-43594.00 115
4. MATERIALES Y PROCEDIMEINTO OPERATIVO 117
4.1. CARACTERÍSTICAS Y PROCEDENCIA DEL AGUA A TRATAR 119
4.2. PROCEDIMIENTO OPERATIVO 123
4.2.1. Eliminación de boro mediante una segunda etapa de
ósmosis inversa 123
4.2.1.1. Estudio de la influencia del pH del agua de aporte en la
eliminación de boro y comparación entre membranas 123
4.2.1.2. Selección de las condiciones para la reducción de la
concentración de boro a 0,5 mg/L y a 0 mg/L 124
4.2.1.3. Variación de la conversión de trabajo mediante
la recirculación de parte del rechazo 124
4.2.1.4. Evolución del rendimiento de la membrana trabajando
en forma continua a pH elevado 124
X

12. 4.2.2. Reducción del boro mediante resinas de intercambio iónico 125
4.2.2.1. Estudio de la eliminación de boro mediante
intercambio iónico 125
4.2.2.2. Estudio de la eliminación de otros iones 125
4.3. EQUIPAMIENTO PARA EL ANÁLISIS 127
4.4. REACTIVOS UTILIZADOS 129
4.4.1. Secuencia de regeneración de las resinas 130
4.5. CÁLCULOS 131
4.5.1. Ósmosis inversa 131
4.5.2. Intercambio iónico 132
4.5.3. Costes económicos 132
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 135
5.1. ELIMINACIÓN DE BORO MEDIANTE UNA SEGUNDA
ETAPA DE ÓSMOSIS INVERSA 137
5.1.1. Estudio de la influencia del pH del agua de aporte en la
eliminación de boro y comparación entre membranas 137
5.1.1.1. Flujo de permeado 137
5.1.1.2. Rechazo de sales 142
5.1.1.3. Eliminación de boro 147
5.1.1.4. Parámetros cinéticos 153
5.1.2. Selección de condiciones para la reducción de la concentración
de boro a 0,5 mg/L y a 0 mg/L 191
5.1.3. Variación de la conversión de trabajo mediante la recirculación
de parte del rechazo 196
5.1.4. Evolución del rendimiento de la membrana trabajando en
forma continua a pH elevado 201
5.2. REDUCCIÓN DE BORO MEDIANTE RESINAS DE INTERCAMBIO
IÓNICO. COMPORTAMIENTO DE LAS DISTINTAS RESINAS 205
5.2.1. Estudio de la eliminación de boro 206
5.2.2. Estudio de la eliminación de otros iones 220
5.3. ESTUDIO ECONÓMICO 223
5.3.1. Ósmosis inversa 223
XI

13. 5.3.1.1. Costes de implantación 223
5.3.1.2. Costes de operación 224
5.3.1.3. Resumen de costes totales 227
5.3.1.4. Comparación entre membranas 228
5.3.2. Intercambio iónico 229
5.3.2.1. Costes de implantación 229
5.3.2.2. Costes de operación 230
5.3.2.3. Resumen de costes totales 233
5.3.2.4. Comparación entre resinas 234
5.3.3. Comparación económica entre membranas y resinas 236
6. CONCLUSIONES 239
7. ANEXOS 251
ANEXO I. Especificaciones técnicas de las plantas piloto 253
A. Planta piloto ósmosis inversa 253
B. Planta piloto intercambio iónico 257
ANEXO II. Especificaciones de las membranas. 263
A. Toray TM710 263
B. Hydranautics ESPA2 4040 265
C. Filmtec BW30-4040 267
ANEXO III. Especificaciones de las resinas 269
A. Rohm and Haas Amberlite IRA743 269
B. Purolite S-108 271
C. Dow XUS-43594.00 275
8. BIBLIOGRAFÍA 277
XII

14. ÍNDICE FIGURAS
2.1. Comportamiento del ácido bórico como ácido de Lewis 015
2.2. Distribución de los diferentes compuestos de boro 016
2.3. Porcentaje de ácido bórico en función del pH 017
2.4 Evolución de la capacidad instalada de
desalación a escala mundial 021
2.5. Distribución del agua desalada a nivel mundial según
la procedencia del agua de alimento 022
2.6. Desaladoras contratadas según la tecnología empleada 023
2.7. Distribución del uso del agua desalada a nivel mundial 023
2.8. Capacidad instalada en España. 025
2.9. Clasificación de las técnicas de desalación 029
2.10. Técnicas de desalación más utilizadas 030
2.11. Evaporación súbita multietapa (P1<P2<P3) 033
2.12. Evaporación de múltiple efecto (P1 > P2 > P3) 035
2.13. Evaporación por compresión de vapor 036
2.14. Diagrama simplificado de una celda de electrodiálisis 038
2.15. Batería de electrodiálisis con recirculación 039
2.16. Electrodiálisis reversible 040
2.17. Membranas de intercambio catiónico y aniónico 041
2.18. Ósmosis natural 048
2.19. Equilibrio osmótico 048
2.20. Ósmosis inversa 049
2.21. Potenciales químicos 049
2.22. Variación de la concentración de sales
en el proceso de ósmosis inversa. Capa límite 057
2.23. Membrana asimétrica 064
2.24. Membrana compuesta de capa fina 065
2.25. Membranas arrolladas en espiral 067
2.26. Etapas del proceso 068
2.27. Esquema de un proceso de ósmosis inversa en dos etapas 070
2.28. Formación de puentes de hidrógeno en una membrana 072
XIII

15. 2.29. Diagrama de flujo proceso en dos etapas respecto al permeado 076
2.30. Instalación de inetercambio iónico 082
2.31. Estructura de la resina selectiva N-metil glutamina 094
2.32. Mecanismo de la reacción de captación de boro 095
2.33. Resina metilglucamina con ácido bórico complejado 096
2.34. Ácido conjugado formado en la primera etapa de
la regeneración 099
3.1. Detalle de la planta de ósmosis inversa 105
3.2. Diagrama de flujo de la planta piloto de ósmosis inversa 106
3.3. Detalle de la planta resinas de intercambio iónico 107
3.4. Diagrama de flujo planta piloto de resinas de intercambio iónico 108
3.5. Dimensiones membrana Toray TM710 110
3.6. Dimensiones membrana Hydranautics ESPA2-4040 111
3.7. Dimensiones membrana Filmtec BW30-4040 112
4.1. Espectrómetro de emisión óptico de plasma por
acoplamiento inductivo Perkin Elmer 4300 128
4.2. Cambio US$/€ 133
5.1. Flujo de permeado frente a presión,
para diferentes valores de pH. Membrana Toray TM710 138
5.2. Flujo de permeado frente a presión,
para diferentes valores de pH. Membrana Hydranautics ESPA2-4040 139
5.3. Flujo de permeado frente a presión,
para diferentes valores de pH. Membrana Filmtec BW30-4040 140
5.4. Flujo frente a presión a pH igual a 7.
Comparación entre las tres membranas 141
5.5. Flujo frente a presión a pH igual a 10,9
Comparación entre las tres membranas 141
5.6. Porcentaje de sodio rechazado en función del flujo
permeado a diferentes valores de pH. Membrana Toray TM710 143
5.7. Porcentaje de sodio rechazado en función del flujo permeado
a diferentes valores de pH. Membrana Hydranautics ESPA2-4040 144
XIV

16. 5.8. Porcentaje de sodio rechazado en función del flujo permeado
a diferentes valores de pH. Membrana Filmtec BW30-4040 145
5.9. Porcentaje de sodio rechazado en función del flujo permeado
para las tres membranas pH igual a 7 146
5.10. Porcentaje de sodio rechazado en función del flujo permeado
para las tres membranas pH igual a 10,9 146
5.11. Porcentaje de rechazo de boro frente al flujo a distintos
valores de pH. Membrana Toray TM710 147
5.12. Porcentaje de rechazo de boro frente al flujo a distintos
valores de pH. Membrana Hydranautics ESPA2-4040 149
5.13. Porcentaje de rechazo de boro frente al flujo a distintos
valores de pH. Membrana Filmtec BW30-4040 150
5.14. Porcentaje de boro rechazado frente al flujo de permeado, a pH 7.
Comparación entre membranas 151
5.15 Porcentaje de boro rechazado frente al flujo de permeado, a pH 10.
Comparación entre membranas 151
5.16. Porcentaje de boro rechazado frente al flujo de permeado, a pH 10,9.
Comparación entre membranas 151
5.17. Lp en función del pH. Toray TM710 154
5.18. Lp en función del pH. Hydranautics ESPA2 4040 155
5.19. Lp en función del pH. Hydranautics Filmtec BW30 4040 157
5.20. 1/RNa frente a 1/Jv. Toray TM 710 160
5.21. Cp de sodio frente a 1/Jv. Toray TM 710 161
5.22. Coeficiente de permeabilidad de sodio frente al pH. Toray TM 710 162
5.23. 1/R frente a 1/Jv. Hydranautics ESPA2 4040 163
5.24. Cp de sodio frente a 1/Jv. Hydranautics ESPA2 4040 164
5.25. Coeficiente de permeabilidad de sodio frente al pH.
Hydranautics ESPA2 4040 165
5.26. 1/RNa frente a 1/Jv. Filmtec BW30 4040 166
5.27. Cp de sodio frente a 1/Jv. Filmtec BW30 4040 167
5.28. Coeficiente de permeabilidad de sodio frente al pH.
Filmtec BW30 4040 168
5.29. 1/RB frente a 1/Jv. Toray TM 710 171
5.30 Coeficiente de reflexión de boro frente al pH. Toray TM 710 172
XV

17. 5.31. Cp de boro frente a 1/Jv. Toray TM 710 172
5.32. Coeficiente de permeabilidad de boro frente al pH. Toray TM 710 173
5.33. 1/RB frente a 1/Jv. Hydranautics ESPA2 4040 174
5.34. Coeficiente de reflexión de boro frente al pH. Hydranautics ESPA2 4040 175
5.35. Cp de boro frente a 1/Jv. Hydranautics ESPA2 4040 175
5.36. Coeficiente de permeado de boro frente al pH. Hydranautics ESPA2 4040 176
5.37. 1/R frente a 1/Jv. Filmtec BW30 4040 177
5.38. Coeficiente de reflexión de boro frente al pH. Filmtec BW30 4040 178
5.39. Cp de boro frente a 1/Jv. Filmtec BW30 4040 178
5.40. Coeficiente de permeado de boro frente al pH. Filmtec BW30 4040 179
5.41. Coeficiente de reflexión de boro frente al pH. Valores
experimentales y calculados considerando la disociación del
ácido bórico-borato y la influencia del pH en los coeficientes de
reflexión. Toray TM710 184
5.42. Coeficiente de reflexión de boro frente al pH. Valores
experimentales y calculados considerando la disociación del
ácido bórico-borato y la influencia del pH en los coeficientes de
reflexión. Hydranautics ESPA2 4040. 185
5.43. Coeficiente de reflexión de boro frente al pH. Valores
experimentales y calculados considerando la disociación del
ácido bórico-borato y la influencia del pH en los coeficientes de
reflexión. Filmtec BW30 4040 186
5.44. Coeficiente de permeado de boro frente al pH. Valores
experimentales y calculados considerando la disociación del
ácido bórico-borato y la influencia del pH en los coeficientes de
permeabilidad. Toray TM710 187
5.45. Coeficiente de permeado de boro frente al pH. Valores
experimentales y calculados considerando la disociación del
ácido bórico-borato y la influencia del pH en los coeficientes de
permeabilidad. Hydranautics ESPA2 4040 188
5.46. Coeficiente de reflexión de boro frente al pH. Valores
experimentales y calculados considerando la disociación del
ácido bórico-borato y la influencia del pH en los coeficientes de
permeabilidad. Filmtec BW30 4040. 188
XVI

18. 5.47. Concentración de boro del permeado en función
del pH del agua de alimento. Toray TM 710 192
5.48. Concentración de boro del permeado en función del
pH del agua de alimento. Hydranautics ESPA2-4040 193
5.49. Concentración de boro del permeado en función del pH
del agua de alimento. Filmtec BW30-4040 193
5.50. Porcentaje de rechazo de boro frente a pH 194
5.51. Porcentaje de rechazo de boro frente a conversión
a pH 9,8 y pH 11. Toray TM710 196
5.52. Porcentaje de rechazo de boro frente a conversión
a pH 9,8 y pH 11. ESPA2-4040 197
5.53. Porcentaje de rechazo de boro frente a conversión
a pH 8,5 y 10,2. Filmtec BW30 199
5.54. Concentración de boro del alimento y permeado
y temperatura. Filmtec BW30. 201
5.55. Porcentaje de rechazo de boro. Filmtec BW30 201
5.56. Concentración de sodio del alimento y permeado. Filmtec BW30 202
5.57. Porcentaje de rechazo de sodio. Filmtec BW30 203
5.58. Concentración de boro del agua de alimento
y agua tratada. Amberlite IRA 743. 206
5.59. Boro acumulado por la resina. Amberlite IRA 743 207
5.60. Curva de rotura. Amberlite IRA 743 207
5.61. Concentración de boro del agua de alimento
y agua tratada. Purolite S 108 209
5.62. Boro acumulado por la resina. Purolite S 108 210
5.63. Curva de rotura y temperatura. Purolite S 108 210
5.64. Concentración de boro del agua de alimento
y agua tratada. Dow XU-43594.00 212
5.65. Boro acumulado por la resina. Dow XU-43594.00 212
5.66. Curva de rotura. Dow XU-43594.00 213
5.67. Curva de rotura para las tres resinas 215
Ln[C /(C0 − C )] para las tres resinas
5.68. t frente a 216
5.69. Capacidad de saturación de la resina en función de las condiciones
XVII

19. de operación. Purolite S-108. Especificaciones del fabricante. 218
5.70. Resultados experimentales y calculados de la concentración
de boro en el agua tratada frente al tiempo. 219
5.71. Concentración de sodio del agua de alimento y agua tratada.
Amberlite IRA 743 220
5.72. Concentración de magnesio del agua de alimento y agua tratada.
Amberlite IRA 743. 221
5.73. Concentración de potasio del agua de alimento y agua tratada.
Amberlite IRA 743. 221
5.74. Concentración de calcio del agua de alimento y agua tratada.
Amberlite IRA 743. 221
5.75. Coste por reposición membranas 224
5.76. Rango de Coste energético. Ósmosis inversa 225
5.77. Rango de coste de reactivos. Ósmosis inversa 226
5.78. Costes totales. Ósmosis inversa 227
5.79. Comparativa costes totales entre membranas reduciendo
el boro a 0,5 mg/L 228
5.80. Comparativa costes totales entre membranas reduciendo
el boro a por debajo del LOD 229
5.81. Coste por reposición resina 230
5.82. Coste energético con resinas 232
5.83. Costes reactivos de regeneración 233
5.84. Costes totales. Intercambio iónico 234
5.85. Comparativa costes totales entre resinas para reducir
el boro a 0,5 mg/L. 235
5.86. Comparativa costes totales entre resinas para reducir
el boro por debajo de LOD. 235
5.87. Comparativa entre membranas y resinas para reducir
el boro a 0,5 mg/L 236
5.88. Comparativa entre membranas y resinas para reducir
el boro por debajo del LOD 236
XVIII

20. ÍNDICE TABLAS
2.1. Productos de boro de mayor a menor uso 012
2.2. Clasificación de cultivos según su tolerancia al boro 020
2.3. 10 países de mayor producción de agua desalada 024
2.4. Capacidad de producción en España 026
2.5. Ejemplos reacciones de intercambio iónico 087
3.1. Especificaciones membrana TM710 Toray 110
3.2. Especificaciones membrana ESPA2-4040 Hydranautics 111
3.3. Especificaciones membrana BW30-4040 de Filmtec 112
3.4. Especificaciones resina IRA 743 de Rohm and Haas 113
3.5. Especificaciones resina S-108 de Purolite 114
3.6. Especificaciones resina XUS-43594.00 de Filmtec 115
4.1. Características físico-químicas del agua de la
Planta Desaladora “Canal de Alicante” 120
4.2. Rango de parámetros físico químicos del agua
de alimento durante la experimentación con membranas 121
4.3. Rango de parámetros físico químicos del agua
de alimento durante la experimentación con resinas 121
4.4. Reactivos utilizados 129
5.1. Comparativa de las presiones de trabajo a pH 7 y pH 10,9 142
5.2. Comparativa de % rechazo de sodio a pH 7 y pH 10,9 147
5.3. Comparativa de % B rechazado a pH 7 y pH 10,9 152
5.4. Ecuación de transporte de flujo. Toray TM 710 153
5.5. Ecuación de transporte de flujo. Hydranautics ESPA2 4040 155
5.6. Ecuación de transporte de flujo. Filmtec BW30 4040 156
5.7. Comparativa de valores de Lp 158
5.8. 1/RNa frente a 1/Jv. Toray TM 710 160
5.9. Cp frente a 1/Jv. y vlaor de PNa Toray TM 710 161
XIX

21. 5.10. 1/RNa frente a 1/Jv. Hydranautics ESPA2 4040. 163
5.11. Cp de sodio frente a 1/Jv. Hydranautics ESPA2 4040 165
5.12. 1/RNa frente a 1/Jv. Filmtec BW30 4040 167
5.13. Cp de sodio frente a 1/Jv. Filmtec BW30 4040 168
5.14. Comparativa de valores de σNa y PNa 170
5.15. 1/RB frente a 1/Jv. Toray TM 710 171
5.16 Cp de bor frente a 1/Jv. y valor de PB Toray TM 710 173
5.17. 1/RB frente a 1/Jv. Hydranautics ESPA2 4040 174
5.18. Cp de boro frente a 1/Jv. Hydranautics ESPA2 4040 176
5.19. 1/RB frente a 1/Jv. Filmtec BW30 4040 177
5.20. Cp de boro frente a 1/Jv. Filmtec BW30 4040 179
5.21. Comparativa de valores de σB y PB 180
5.22 Ecuaciones de σB en función del pH 189
5.23 Ecuaciones de PB en función del pH 190
5.24. Porcentaje de rechazo de boro variando la conversión 200
5.25. Resumen comparativo para una concentración
de boro en el agua tratada por debajo de LOD 214
5.26. Resumen comparativo para una concentración
de boro en el agua tratada de 0,5 mg/L 214
5.27. Valores de de τ, k y W. Amberlite IRA 743 217
5.28. Concentración de boro en función del tiempo de operación 219
5. 29. Resumen de datos aportados por otros autores 238
XX

22. 1. RESUMEN
1

23. 2

24. 1. Resumen
En el año 2003 entró en vigor el Real Decreto 140/2003, de 7 de febrero, en el
que se establecen los criterios sanitarios de la calidad del agua de consumo humano,
incorporándose, al ordenamiento jurídico español, los requisitos establecidos en la
Directiva 98/83/CE. En esta normativa se incluye como parámetro de control la
concentración de boro, fijándose como límite máximo 1 mg/L. Las recomendaciones de
la OMS establecen actualmente como límite aconsejable 0,5 mg/L. Por otra parte, la
presencia de concentraciones de boro superiores a 1 mg/L en aguas de regadío puede
perjudicar a un amplio grupo de cultivos sensibles a este elemento.
El boro se encuentra presente en la naturaleza, principalmente en forma de
boratos. Está ampliamente distribuido, tanto en el medio acuático como en el medio
terrestre. La concentración en la que se puede encontrar es muy variada, oscilando
desde los 10 mg/kg en la corteza terrestre hasta los 4,5 mg/kg en los océanos, no
superando, normalmente, los 7 mg/L en las aguas continentales.
El boro presente en el agua se encuentra, de forma natural, como ácido bórico
[B(OH)3] e ión borato[B(OH)4-], formando un equilibrio, en el que la especie
predominante es el ácido bórico, con independencia de que la fuente de boro sea el
ácido bórico o uno de los boratos. Esto es debido a que el ácido bórico es un ácido muy
débil, con una constante de disociación, pKa, de 9,15. A pH superiores a 10, el anión
metaborato [B(OH)4-] comienza a ser la especie dominante.
El agua de mar presenta una concentración de boro con un valor aproximado de
4 mg/L. Una vez llevada a cabo la desalación mediante ósmosis inversa este valor se
reduce hasta 0,8 mg/L–1,5 mg/L, dependiendo de las condiciones de trabajo y de las
membranas empleadas en la desalación. El motivo por el que el boro es rechazado en
tan baja proporción, por las membranas, es que en las aguas naturales se encuentra en
3

25. 1. Resumen
forma de ácido bórico y al tener hidrógenos ácidos y no tener carga, es capaz de formar
enlaces, con los grupos activos de las membranas, mediante puentes de hidrógeno.
Para ajustar la concentración de boro en las aguas procedentes de la desalación a
los criterios de calidad establecidos en la normativa española, éstas deben ser sometidas
a un segundo tratamiento.
En la bibliografía se encuentran las posibles alternativas para reducir la
concentración de boro. Los métodos más empleados y estudiados para la eliminación de
boro son la ósmosis inversa y el intercambio iónico. No obstante, existen otros
procedimientos que han sido estudiados con este fin, como pueden ser procesos de
membranas (ultrafiltración y electrodiálisis) y la adsorción con compuestos de
hidrocalcita, carbón y cenizas volantes.
El objetivo general de esta investigación ha sido profundizar en el estudio de la
eliminación de boro de las aguas procedentes de la desalación mediante las dos vías
alternativas más factibles, la ósmosis inversa y el intercambio iónico. Para ello se ha
trabajado a escala piloto, en continuo, tratando un agua en condiciones reales,
procedente directamente de un proceso de desalación de agua de mar.
Se ha estudiado el comportamiento de tres membranas de aguas salobres de
diferentes fabricantes. Se ha determinado la influencia del pH en el flujo de permeado,
en el rechazo de sales y de boro y el comportamiento cinético de la membrana respecto
al rechazo de boro. A partir de los ensayos realizados y del estudio del coeficiente de
reflexión del boro se desprenden diferencias notables observándose un comportamiento
muy diferente de las tres membranas seleccionadas.
Por otra parte se ha estudiado el comportamiento de tres resinas de intercambio
iónico, específicas para la eliminación de boro, de diferentes fabricantes, analizando los
parámetros cinéticos. El comportamiento de las tres resinas es muy similar.
4

26. 1. Resumen
Se ha realizado una valoración económica, tanto del proceso de ósmosis inversa
como del de resinas de intercambio iónico, comparándose los resultados. Los dos
procesos pueden ser válidos para la eliminación de boro desde el punto de vista técnico
y económico. La ventaja que presenta la utilización de resinas frente a las membranas es
la flexibilidad del sistema, permitiendo reducir el boro por debajo del límite de
detección, sin coste adicional y poder tratar el total del efluente procedente del proceso
de desalación. Como desventaja, las resinas de intercambio iónico no resultan un
proceso tan estable como la ósmosis inversa, presentando fluctuaciones más acusadas
frente a la temperatura y requiriendo un control de proceso más exhaustivo, ya que en
caso de que la regeneración no se realice de forma adecuada, se reduce
considerablemente el ciclo y puede aparecer boro en el agua tratada antes de lo
esperado.
5

27. 6

28. 2. INTRODUCCIÓN
7

29. 8

30. 2. Introducción
En el año 2003 entró en vigor, en el estado español, el Real Decreto 140/2003 de
7 de febrero por el que se establecen los criterios sanitarios de la calidad del agua de
consumo humano. Incorporándose, de esta manera, al ordenamiento jurídico español los
requisitos establecidos en la Directiva 98/83/CE. En esta normativa, se incluye como
parámetro de control la concentración de boro, fijándose, como concentración máxima
para este parámetro, en aguas de consumo humano, 1 mg/L. Las recomendaciones de la
OMS establecen actualmente como límite aconsejable 0,5 mg/L. Por otra parte, la
presencia de concentraciones de boro superiores a 1 mg/L en aguas de regadío puede
perjudicar a un amplio grupo de cultivos sensibles a este elemento.
El agua procedente de la desalación de agua de mar mediante ósmosis inversa,
presenta una elevada concentración de boro. Las aguas de mar contienen cantidades de
boro que rondan los 4 mg/L. Una vez llevada a cabo la desalación mediante ósmosis
inversa estos valores se reducen a 0,8 mg/L – 1,5 mg/L, dependiendo de las condiciones
de trabajo y de las membranas empleadas en el proceso.
El rechazo de boro por parte de las membranas de ósmosis inversa se produce en
unos porcentajes notablemente inferiores a la de otras especies disueltas en el agua. El
motivo, por el que el boro es rechazado en tan baja proporción por las membranas, es
que en las aguas naturales se encuentra en forma de ácido bórico y al tener hidrógenos
ácidos y no tener carga es capaz de formar enlaces con los grupos activos de las
membranas mediante puentes de hidrógeno.
El empleo de aguas desaladas para abastecimiento o para regadío de plantas
sensibles al boro ha supuesto un cambio en el planteamiento del proceso de desalación,
buscándose las posibles alternativas que permitan la reducción de este elemento de la
forma más adecuada. Es necesario, por tanto, un tratamiento adicional para las aguas
desaladas.
9

31. 2. Introducción
Los métodos más empleados y estudiados para la eliminación de boro son la
ósmosis inversa y el intercambio iónico. No obstante, existen otros procedimientos que
están siendo estudiados con este fin: procesos de membranas (ultrafiltración y
electrodiálisis) y procesos de adsorción (con compuestos de hidrocalcita, con
compuestos de carbón y con cenizas volantes).
10

32. 2. Introducción
2.1 LA QUÍMICA DEL BORO
El boro es un elemento químico que pertenece al grupo IIIa del sistema
periódico, junto al aluminio, galio, indio y talio. Su número atómico es 5 y su peso
atómico relativo 10,81. No se encuentra en forma elemental en la naturaleza. Presenta
una química compleja, más similar a la del silicio (grupo IV) que a la del resto de los
elementos de su grupo.
11 10
En la naturaleza existen dos isótopos estables del boro: el B y el B. El
primero se encuentra en un porcentaje del 80,18% mientras que el segundo en un
19,82% (IUPAC, 1998).
El boro se encuentra presente en la naturaleza, principalmente, en forma de
boratos. Está ampliamente distribuido, tanto en el medio acuático como en el medio
terrestre. La concentración en la que se puede encontrar es muy variada, oscilando
desde los 10 mg/kg en la corteza terrestre hasta los 4,5 mg/kg en los océanos y no
superando, normalmente, los 7 mg/L (WHO, 2004) en las aguas continentales.
Los boratos también están presentes en productos y minerales comerciales como
se detalla en la tabla 2.1.
11

33. 2. Introducción
Tabla 2.1. Productos de boro de mayor a menor uso (WHO, 2004).
Substancia Formula Nº CAS
Bórax pentahidratado Na2[B4O5(OH)4]·3H2O
12179-04-3
(tetraborato pentahidratado disódico) (Na2B4O7·5H2O)
Bórax Na2[B4O5(OH)4]·8H2O
1303-96-4
(tetraborato decahidratado disódico) (Na2B4O7·10H2O)
NaCa[B5O6(OH)6]·5H2O
Ulexita 1319-33-1
(Na2O·2CaO·5B2O3·16H2O)
Ca[B3O4(OH)3]·H2O
Colemanita 1318-33-8
(2CaO·5B2O3·5H2O)
Na2[B2O4(OH)4]·6H2O
Perborato sódico tetrahidratado 10486-00-7
(NaBO3 ·4H2O)
Na2[B2O4(OH)4]
Perborato sódico monohidratado 10332-33-9
(NaBO3 ·H2O)
B(OH)3
Ácido bórico 10043-35-3
(H3BO3)
Bórax anhídrido
Na2B4O7 (amorfo) 1330-43-4
(tetraborato de disodio)
Óxido bórico B2O3 (amorfo) 1303-86-2
Boro B 7440-42-8
Las principales aplicaciones del borato son la elaboración y preparación de: fibra
de vidrio de calidad de aislamiento y textil, productos para lavado (perborato sódico),
vidrio de borosilicato, pirorretardantes, fertilizantes y herbicidas agrícolas.
El boro entra en contacto con el medio ambiente a través de dos vías:
• Natural
a. Atmósfera. El boro puede entrar en contacto con el
medioambiente en forma de partículas, a través de la
12

34. 2. Introducción
meteorización de las rocas o de vapor, por la volatilización del
agua de mar y la actividad volcánica.
b. Medio acuático y terrestre. La incorporación del boro se produce
fundamentalmente por meteorización.
• Antropogénica: La emisiones debidas al hombre son mucho menos
significativas que las naturales.
a. Atmósfera. Las emisiones a la atmósfera son debidas a las
operaciones de extracción, de fabricación de vidrio y cerámica, a
la quema de productos agrícolas y basuras, tratados o con restos
de productos de boro y a las centrales eléctricas de carbón y
petróleo.
b. Medio acuático y terrestre. La incorporación se produce por la
utilización de boratos/perboratos en la limpieza de los hogares e
industrias (a través de las aguas residuales generadas) y lixiviados
procedentes del tratamiento de papel y madera.
El boro es absorbido por las partículas del suelo, dependiendo de las
características del mismo: pH, salinidad, contenido en materia orgánica, arcilla, óxidos
de hierro y de aluminio.
La concentración de boro en los océanos se sitúa en torno a los 4,5 mg/kg. En las
aguas continentales superficiales depende de factores como la naturaleza geoquímica de
la superficie de drenaje, la proximidad a regiones costeras y de la incorporación de
vertidos de efluentes industriales y urbanos. Las concentraciones medias en las aguas de
Europa, Pakistán, Rusia y Turquía suelen ser inferiores a 0,6 mg/L. Las concentraciones
de boro en el agua de Japón, Sudáfrica y América del sur están por lo general por
debajo de 0,3 mg/L. En las aguas de América del Norte son normalmente menores de
0,1 mg/L, alcanzando concentraciones de 0,4 mg/L en muchos casos (WHO, 2004).
13

35. 2. Introducción
El boro presente en el agua se encuentra, de forma natural, como ácido bórico
[B(OH)3] e ión borato[B(OH)4-], formando un equilibrio, en el que la especie
predominante es el ácido bórico, con independencia de que la fuente de boro sea el
ácido bórico o uno de los boratos. Esto es debido a que el ácido bórico es un ácido muy
débil con una constante de disociación, pKa, de 9,15. A pH superiores a 10, el anión
metaborato [B(OH)4-] comienza a ser la especie dominante.
Los iones boratos presentes en el agua están básicamente en un estado
totalmente oxidado, no siendo probable que se produzcan procesos de
biotransformación.
Las concentraciones de boro en el aire oscilan entre <0,5 ng/m3 y 80 ng/m3, con
un promedio, en todos los continentes, de 20 ng/m3.
2.1.1. Boro presente en el agua
Como ya se ha comentado, el boro en un medio natural acuoso se encuentra
predominantemente en forma de ácido bórico [B(OH)3]. Éste se comporta como un
ácido de Lewis. El ión hidróxido reacciona con el ión hidrógeno con una constante de
disociación, pKa, de 9,15. El ácido bórico actúa como tal mediante la aceptación de un
par de electrones de un ión OH- entrante más que por transferencia de un protón al
hidróxido (figura 2. 1). En esta reacción el boro pasa de hibridación sp2 a sp3 en el
producto final.
14

36. 2. Introducción
Figura 2.1. Comportamiento del ácido bórico como ácido de Lewis (Malavé, 2005).
El boro presente en los océanos contribuye al balance alcalino del mismo,
modificando las propiedades del agua de mar. El borato (B(OH)-4) representa sólo un
5% de la alcalinidad total de un agua de mar a pH 8,2, pero los compuestos de boro se
deben tener en cuenta en el cálculo cuantitativo de la alcalinidad (Zeebe y col., 2001).
El equilibrio ácido bórico-borato afecta a las propiedades físicas del agua de mar. Se
han realizado estudios en los que se comprueba la relación entre la absorción del sonido
en el océano a una frecuencia del rango de 1 kHz con el equilibrio químico entre el
ácido bórico y el borato (Mallo y col., 1984).
La disociación del ácido bórico, comportándose como ácido de Lewis, se lleva a
cabo de acuerdo a las siguientes reacciones:
H 3 BO3 ↔ H 2 BO3− + H + pKa~9.15 (2.1)
H 2 BO3− ↔ HBO32− + H + pKa~12.74 (2.2)
HBO32− ↔ BO3 − + H +
3
pKa~13.8 (2.3)
En la figura 2.2 se muestra la distribución de las diferentes especies de boro en
función del pH.
15

37. 2. Introducción
pH
10,00
11,00
12,00
13,00
14,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
0,00
-1,00
-2,00
-3,00 log[HHHAc] ]
log [H3BO3
log[HHAc] 3-]
log [H2BO
-4,00 log[HAc] 2-]
log [HBO 3
log C
log[Ac] 33-]
log [BO
-5,00
-6,00
-7,00
-8,00
-9,00
-10,00
Figura 2.2. Distribución de los diferentes compuestos de boro (Rodríguez y col., 2001).
Al pH en el que se suelen encontrar, tanto el agua de mar como las aguas
naturales, la concentración de HBO32- y de BO33- es despreciable.
Si la concentración de boro en agua es elevada (superior a 0,025 mol/L), dentro
del rango de pH de 6 a 11 se encontrarán formas más complejas poliméricas
[B3O3(OH)4-, B4O5(OH)42-, B5O6(OH)4-, B3O3(OH)4-]. No obstante, la concentración de
estas especies será lo suficientemente baja (en torno a 0,00042 mol/L) como para poder
ser despreciadas (Su y col., 1995).
Como ya se ha comentado, en medio acuoso, la disociación del ácido bórico se
lleva a cabo, realmente, formándose el ión borato en su forma tetraédrica. La presencia
de grupos hidroxilo (OH-) favorece la formación del mismo. La reacción (2.1) se
reescribiría como se muestra a continuación, produciéndose al mismo tiempo la
reacción (2.4).
16

38. 2. Introducción
B (OH ) 3 + H 2 O ↔ B(OH ) 4 + H +
−
con pKa ~ 9,15 (2.1)
B (OH ) 3 + OH − ↔ B(OH ) −
4 con pKb ~ 4,8 (2.4)
Tanto pKa como pKb no son constantes (Hyung y col., 2006), varían en función
de la temperatura y de la fuerza iónica de la disolución (Bartels y col., 2005). pKa
presenta valores entre 8,7 – 9,7 dentro de un intervalo de temperaturas entre 10 y 45ºC.
Por su parte pKb oscila entre 5,2 y 4,4 dentro del mismo rango de temperaturas (Busch y
col., 2003).
La concentración total de boro se puede resumir, de forma simple, como la suma
de las dos especies.
[B]t = [B]B (OH ) + [B]B (OH )
3
−
4
(2.5)
El resto de las posibles especies se presentarían en concentraciones lo
suficientemente bajas como para ser despreciadas.
La figura 2.3. muestra el porcentaje de boro en forma de ácido bórico en función
del pH.
100,0
90,0
80,0
70,0
60,0
50,0
%
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
10,00
11,00
12,00
13,00
14,00
pH
Figura 2.3. Porcentaje de ácido bórico en función del pH (Rodríguez y col., 2001).
17

39. 2. Introducción
2.1.2. Toxicidad del boro en los seres vivos
Se ha calculado que la ingesta de boro diaria del ser humano ronda los 0,44
µg/día a partir del aire, entre 0,2-0,6 mg/día con el agua consumida y alrededor de 1,2
mg/día con la alimentación.
Tanto en los animales como en los seres humanos, el ácido bórico y el borato se
absorben por el tracto gastrointestinal y las vías respiratorias. Se absorbe más del 90%
de la dosis administrada en estos compuestos.
Los estudios de la acumulación del boro en plantas, insectos y peces han puesto
de manifiesto que el boro se bioacumula en las plantas, pero no se bioamplifica en la
cadena alimentaría de los organismos acuáticos.
Son escasos los estudios que se han realizado en el ser humano respecto a los
posibles efectos originados por la exposición a compuestos de boro. Los datos
disponibles indican que la exposición está asociada con efectos irritantes de corta
duración en las vías respiratorias superiores, la nasofaringe y los ojos, pareciendo que
estos efectos son breves y reversibles. En un estudio realizado de larga duración (siete
años) no se consiguió identificar ningún efecto prolongado para la salud (WHO, 1998).
En cuanto a los estudios llevados a cabo con animales de laboratorio, relativos a
los efectos en su desarrollo y reproducción, se ha observado que a medida que aumenta
la concentración de boro se produce una reducción del peso corporal del feto en ratones,
aumento de malformaciones cardiovasculares en conejos, patologías testiculares en
ratas (atrofia testicular y esterilidad). Sin embargo no se han observado pruebas que
permitan definirlo como cancerígeno.
18

40. 2. Introducción
Debido a la falta de datos de los efectos del boro en humanos y a lo
experimentado con animales, no se puede clasificar el boro como cancerígeno para el
ser humano.
En lo que respecta a las plantas, desde los años veinte del pasado siglo, se sabe
que el boro es un micronutriente esencial para las plantas superiores, con diferencias
interespecíficas en cuanto a las concentraciones necesarias para un crecimiento óptimo.
El boro interviene en la división, el metabolismo, la estructura y la función de las
membranas de las células. En forma de borato está presente en las frutas, las nueces y
las hortalizas. La diferencia entre la deficiencia y la absorción excesiva (toxicidad) es
pequeña en las plantas. Se ha observado deficiencia de boro en las plantas terrestres de
muchos países. Es más probable la deficiencia de boro en suelos ácidos de textura ligera
en regiones húmedas, debido a su susceptibilidad de lixiviación. Suele haber excesos de
boro en soluciones de suelo procedentes de depósitos jóvenes, desde el punto de vista
geológico, en suelos áridos, en los derivados de sedimentos marinos y los afectados por
fuentes de contaminación, como los vertidos de centrales termoeléctricas de carbón y de
operaciones de extracción. El agua de riego es una de las principales fuentes de
concentraciones altas de boro que provocan toxicidad en los suelos.
Las diferentes clasificaciones, en cuanto a la tolerancia de las plantas respecto al
boro, distinguen los cultivos en tres clases según la concentración de boro permisible
(tabla 2.2).
19

41. 2. Introducción
Tabla 2.2. Clasificación de cultivos según su tolerancia al boro (Muñoz y col., 2002)
Clasificación Sensible Semitolerante Tolerante
Concentración de boro 0,30-1,00 mg/l 1,00-2,05 mg/l 2,05-4,00 mg/l
Manzano Cebada Espárrago
Cerezo Alfalfa Algodón
Limonero Repollo Pepino
Naranjo Zanahoria Gladiolo
Peral Lechuga Sésamo
Melocotonero Cebolla Tulipán
Pomelo Patata Remolacha
Especies
Aguacate Calabaza Haba
Albaricoquero Espinaca Pasto
Higuera Tabaco Menta
Vid Olivo Centeno
Ciruelo Rosal
Judías Tomate
Trigo
La Organización Mundial de la Salud ha fijado la Ingesta Tolerable (IT) de boro
en 0,4 mg/kg de peso corporal al día. Las recomendaciones que plantea respecto a la
implantación de normativas referentes a la ingesta de boro son:
• Los valores guía del agua y de los alimentos deben basarse en la IT de
0,4 mg/kg de peso corporal al día.
• La IT se debe aplicar considerando que el boro presenta unos efectos
beneficiosos para la salud humana.
• Se deben considerar los efectos beneficiosos del boro como
micronutriente para las plantas superiores.
• Se deben evitar complementos alimenticios que superen la IT.
Para las aguas de consumo humano, la Organización Mundial de la Salud, ha
establecido como límite 0,5 mg/L de Boro.
20

42. 2. Introducción
2.2. SITUACIÓN DE LA DESALACIÓN EN EL MUNDO
Las grandes instalaciones de desalación se comenzaron a construir en el siglo
XX, a principios de los años 60, con una evolución de crecimiento constante.
Se pudo observar que el crecimiento inicial se realizó a un ritmo moderado hasta
que, en el periodo comprendido entre 1974 y 1984, se produjo un considerable auge. A
partir de aquí se produce una ligera ralentización hasta los años 90, en los que se
produce un nuevo crecimiento (figura 2.4).
A finales de 1991 la capacidad mundial instalada de desalación era de 15,58
millones de m3/día, repartidos en 8.886 plantas, de acuerdo al informe 1992 IDA
Worlwide Desalting Plants Inventory de la Asociación Internacional de Desalación. En
la figura 2.4 se muestra la capacidad instalada hasta 2007 y la predicción para 2015, que
puede llegar a alcanzar los 95 hm3/día.
100
90
80
70
60
hm /día
50
3
40
30
20
10
0
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020
Año
Figura 2.4 Evolución de la capacidad instalada de desalación a escala mundial.
21

43. 2. Introducción
De acuerdo con la información recogida en la edición 2008-2009 del
Desalination Yearbook elaborado por la asociación Internacional de Desalación (IDA),
la capacidad global contratada creció un 43% en 2007 respecto al año anterior,
pasándose de los 4,7 a los 6,8 millones de m3/día. Esta tendencia de crecimiento ha
continuado durante el año 2008.
A fecha de 20 de junio de 2008, la capacidad total contratada acumulada de
plantas desaladoras en todo el mundo se situó en 62,8 millones de m3/día.
Un 62% del agua total desalada corresponde a agua de mar, mientras que un
19% lo es de agua salobre. El tratamiento de aguas residuales asciende ya al 5%. El
resto de las aguas desaladas corresponden a agua pura o de ríos (6% y 8%)
respectivamente (figura 2.5).
Aguas de Ríos
4.883.413 m3/d
Agua Pura 8%
3.610.598 m3/d
6%
Aguas Salobres
12.227.673 m3/d
19%
Agua de Mar
39.005.669 m3/d
62%
Aguas
Residuales
3.239.241 m3/d
5%
Figura 2.5. Distribución del agua desalada a nivel mundial según la procedencia del agua de
alimento.
En la figura 2.6 se muestra la distribución de la producción de agua en función
de la tecnología empleada. La más utilizada hoy en día en desalación, es la ósmosis
inversa, con el 59% de la capacidad total instalada, seguida de la evaporación
multietapa (MSF) con un 27%, la evaporación multiefecto (MED) con el 9% y la
22

44. 2. Introducción
electrodiálisis (ED) con el 4%. El 1% restante correspondería a otros métodos de
desalación (GWI DesalData/IDA, 2009).
otros
ED
901.233 m3/día
2.220.133 m3/día
1%
4%
MED
5.629.368 m3/día
9%
RO
37.066.568 m3/día
59%
MSF
17.300.196 m3/día
27%
Figura 2.6. Desaladoras contratadas según la tecnología empleada. (GWI/DesalData IDA).
Hasta junio de 2008 se han contabilizado un total de 13.869 desaladoras. La
principal aplicación de agua desalada ha sido para el abastecimiento humano, con un
67%, seguido por el uso industrial, 23%. El agua desalada también ha sido empleada en
la industria energética (6%), agricultura (2%) y en la industria turística y militar (1%)
(figura 2.7).
Riego 1.100.066 Militar
m3/d 2% 603.758 m3/d 1%
Industrial
14.314.969 m3/d
23%
Turismo 890.261
m3/d 1%
Energía
3.707.703 m3/d
6% Municipal
42.041.086 m3/d
67%
Figura 2.7. Distribución del uso del agua desalada a nivel mundial.
23

45. 2. Introducción
La tendencia actual es a la construcción de desaladoras cada vez de mayor
envergadura. La mayor planta desaladora se encuentra en los Emiratos Árabes Unidos y
tiene una capacidad de producción de 456.000 m3/día. Pero en la actualidad se están
construyendo 5 plantas cuya capacidad de producción supera los 500.000 m3/día en
Oriente Medio, siendo la más grande de 880.000 m3/día. Por su parte, en California
(Estados Unidos) se está construyendo una planta cuya capacidad de operación será de
189.300 m3/día.
En la actualidad más de 150 países utilizan la desalación. En la tabla 2.3 se
muestran los 10 países de mayor producción de agua desalada, que entre todos suman el
71 % de la producción mundial.
Tabla 2.3. 10 países de mayor producción de agua desalada (GWI DesalData/IDA).
% respecto a la
Capacidad de
País capacidad total
producción (m3/día)
mundial
Arabia Saudí 10.759.693 17 %
Emiratos Árabes 8.428.256 13,4 %
Unidos
Estados Unidos 8.133.415 13 %
España 5.249.536 8%
Kuwait 2.876.625 5%
Argelia 2.675.985 4%
China 2.259.741 4%
Quatar 1.712.886 3%
Japón 1.493.158 3%
Australia 1.184.812 2%
Las primeras plantas de desalación de agua de mar aparecen en España en Ceuta
y Melilla en el año 1966, con una capacidad de 4.000 y 143 m3/día respectivamente. En
la década de los 60 comienzan a instalarse plantas en las islas Canarias, continuando
24

46. 2. Introducción
con un crecimiento regular de las capacidades instaladas a lo largo de los años 80 y una
importante aceleración en los 90 (Gaite y Avilés, 1996).
En los últimos años, España ha sufrido una fuerte sequía acusada
fundamentalmente en Andalucía, Levante y las Islas Baleares. Por este motivo se han
construido numerosas plantas desaladoras. En la figura 2.8 se muestra la evolución de la
capacidad instalada así como el uso que se le da al agua desalada.
Capacidad instalada en España
1200
Producción tota l insta lada
Uso Urbano Programa
1000 Uso a grícola AGUA
Uso industrial
800
hm /año
600
3
400
200
0
1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Año
Figura 2.8. Capacidad instalada en España.
Tradicionalmente, la comunidad con más agua desalada correspondía a las Islas
Canarias, pero en la actualidad su capacidad de producción se ha visto superada por
Andalucía, Comunidad Valenciana y la Región de Murcia. En la tabla 2.4 se muestra los
datos relativos a la capacidad de producción actual y en construcción en las diferentes
comunidades.
25

47. 2. Introducción
Tabla 2.4. Capacidad de producción en España (ATTA/AEDyR).
Capacidad de producción Capacidad en
Comunidad 3
Total
actual (m /día) construcción
Comunidad Valenciana 172.000 439.000 611.000
Región de Murcia 306.000 190.000 496.000
Andalucía 470.000 21.000 491.000
Islas Canarias 323.000 26.000 349.000
Cataluña 28.800 228.800 256.000
Islas Baleares 98.000 53.000 151.000
Ceuta y melilla 40.000 8.800 48.800
La mayor parte del agua que se desala en España procede del mar. El uso como
agua potable supone el 59%, frente al 22% de uso agrícola y el 19% que consume la
industria.
En el año 2003 entró en vigor, en el estado español, el Real Decreto 140/2003 de
7 de febrero por el que se establecen los criterios sanitarios de la calidad del agua de
consumo humano. Incorporándose, de esta manera, al ordenamiento jurídico español los
requisitos establecidos en la Directiva 98/83/CE.
En esta normativa, a diferencia de la anterior, se incluye como parámetro de
control la concentración de boro, fijándose como límite máximo para las aguas de
consumo humano 1 mg/L. Las recomendaciones de la OMS establecen como límite
aconsejable 0,5 mg/L (World Health Organization, 2004).
El agua procedente de la desalación de agua de mar mediante ósmosis inversa,
presenta una elevada concentración de boro (0,8 mg/L – 1,5 mg/L). Las aguas obtenidas
a partir de aguas salobres continentales también pueden presentar, en algunos casos,
concentraciones similares.
El incremento que ha experimentado el aporte de aguas procedentes de la
desalación, tanto para el abastecimiento humano como el regadío de plantas sensibles al
26

48. 2. Introducción
boro, ha supuesto un cambio en el planteamiento del proceso de desalación. Para ajustar
la concentración de boro a los criterios de calidad establecidos en la normativa
española, éstas deben ser sometidas a un segundo tratamiento.
27

49. 28

50. 2. Introducción
2.3. TÉCNICAS APLICADAS A LA DESALACIÓN
La Desalación es un proceso mediante el cual se obtiene agua dulce a partir de
agua salobre. Dentro de los diferentes procesos de desalación que existen se pueden
realizar varias clasificaciones, atendiendo a diversos criterios. El más utilizado, para
clasificar las técnicas de desalación, distingue el modo de separar las sales del agua. De
este modo, los métodos de desalinización pueden dividirse en dos grupos:
- Procedimientos que separan el agua.
- Procedimientos que separan las sales.
En el primer caso, a partir de agua salobre o de mar se va obteniendo agua pura,
mientras que en el equipo va quedando una salmuera que se concentra progresivamente
en sales. En el segundo caso, son las sales las que se extraen del equipo, de forma que el
agua se va desalinizando progresivamente. La figura 2.9 muestra un esquema de la
clasificación según este último criterio:
Ósmosis inversa
Destilacion Múltiple Efecto
Destilación Subita Multietapa
Evaporación Compresión de Vapor
PROCEDIMIENTOS QUE Destilación Solar
SEPARAN EL AGUA Otros
Congelación
TÉCNICAS
DE Extracción con disolvente
DESALACIÓN
Electodiálisis
PROCEDIMIENTOS QUE Cambio Iónico
SEPARAN LAS SALES
Depuración Quimica (precipitación)
Adsorción
Figura 2.9. Clasificación de las técnicas de desalación.
29

51. 2. Introducción
Los procedimientos más utilizados son la evaporación, ósmosis inversa y
electrodiálisis, utilizándose unas u otras en función del agua a tratar (figura 2.10)
(Frenkel y Gouri, 1994, Leitner y col., 1995).
Evaporación
Agua de mar
Ósmosis inversa
Agua salobre, de río y residual
Electodiálisis
Figura 2.10. Técnicas de desalación más utilizadas.
2.3.1. Procesos de evaporación (destilación o procesos térmicos)
En un principio eran los procesos más empleados, fundamentalmente en las
grandes instalaciones, cuyo volumen de agua tratada era elevado. Pero debido a los altos
consumos energéticos se están viendo desplazados por los procesos de membranas, que
presentan menor consumo energético. En la actualidad se emplean, sobretodo, en zonas
en la que la escasez de agua es elevada, pero se dispone de recursos energéticos.
Este método imita el ciclo natural del agua. La solución salada es calentada,
evaporándose y concentrándose en la atmósfera.
En estos procesos el agua es evaporada, de forma controlada, dentro de un
recinto cerrado. El agua evaporada es recogida y concentrada. El proceso se lleva a cabo
controlando la presión y la temperatura.
30

52. 2. Introducción
La concentración de sales del agua producto es muy baja del orden de 10 a 15
mg/L.
El principal inconveniente que presenta este proceso es el elevado consumo
energético. Al requerirse un cambio de estado (el agua pasa de estado líquido a gaseoso)
se precisa una cantidad de energía elevada. Esto se traduce en un encarecimiento
notable del proceso. Las mejoras técnicas están encaminadas a reducir dicho consumo
energético, controlando, como ya se ha mencionado, la temperatura y la presión de
trabajo a la que se lleva a cabo la evaporación.
Otro factor que se debe controlar es la posibilidad de que se produzcan
incrustaciones. Al evaporarse el agua, aumenta la concentración de sales pudiéndose
producir la precipitación de las mismas.
Por otra parte, la temperatura, que es un factor que influye en el proceso de
precipitación, debe ser tenida en cuenta. Algunas sales son más solubles al aumentar la
temperatura del agua, pero otras, en cambio, son menos solubles, como es el caso de los
carbonatos. Los sulfatos comienzan a precipitar a 95ºC. Las incrustaciones crean
problemas térmicos y mecánicos, que una vez producidos son difíciles de eliminar. Por
este motivo se debe controlar la temperatura de trabajo, optimizando el proceso.
Los procesos de evaporación más empleados son:
MSF Evaporación súbita multietapa
MED Destilación múltiple efecto
CV Compresión de vapor
DS destilación solar
Los procesos de destilación se emplean fundamentalmente cuando se trabaja con
grandes volúmenes de agua y cuando se trata agua de mar, ya que el coste energético
para llevarla a ebullición va a tener una mínima variación con la salinidad del agua y
por tanto el coste es similar si se trata de agua de mar o agua salobre.
31

53. 2. Introducción
De forma general se pueden establecer las siguientes características para los
procesos de destilación (Medina, 1990):
- Requieren un elevado consumo energético para producir el cambio de fase.
- Requieren una elevada inversión inicial.
- Precisan de una extensión de terreno importante.
- Su eficacia es baja.
- Su coste de explotación no depende de la salinidad del agua.
-Se necesita una fuente de vapor que, según los casos, puede o no ser
independiente del proceso.
- La concentración de sales del producto es muy baja.
- Puede acoplarse a una central eléctrica productora de energía.
2.3.1.1. Evaporación súbita multietapa
En la evaporación súbita multietapa, la corriente salina es sometida a una
temperatura superior a la de ebullición, para la presión a la que se encuentra el
evaporador, de forma que se provoca la ebullición de la masa de agua de forma súbita.
El vapor se condensa en las paredes de un serpentín por el que circula el agua salada de
alimento.
El agua es sometida al siguiente proceso:
a) El agua entra por un haz de tubos que pasan por las cámaras de vapor en donde
se calienta.
b) A continuación pasa a un calentador, formado por un conjunto de tubos
calentados externamente con vapor, en los que el agua salada se lleva a 100ºC,
manteniendo la presión por encima de 1 atmósfera, para que no se produzca la
evaporación.
c) Una vez calentada, el agua pasa a una cámara en la que se evapora de forma
súbita por encontrar una presión inferior.
32

54. 2. Introducción
d) El agua evaporada asciende, encontrándose con los tubos por los que circula el
agua de alimento produciéndose un intercambio de calor. El agua evaporada se
condensa al enfriarse y el alimento se calienta.
e) El agua condensada es recogida en una parte intermedia.
f) Por su parte, la salmuera caliente que no se ha evaporado pasa a una siguiente
cámara en la que se produce de nuevo una evaporación súbita al encontrarse con
una presión menor.
De esta forma en cada cámara se tiene una presión y temperatura de evaporación
diferente, siendo ambas cada vez menores.
En este tipo de plantas se instalan de 4 a 40 cámaras y se trabaja con
temperaturas entre 90 y 120ºC. La figura 2.11 muestra el diagrama de evaporación
súbita multietapa.
Salmuera
Agua dulce
Figura 2.11. Evaporación súbita multietapa (P1<P2<P3).
33

55. 2. Introducción
2.3.1.2. Destilación múltiple efecto
En la destilación de múltiple efecto se colocan varios evaporadores
(denominados efectos) en serie, de forma que cada evaporador trabaja a una presión y
temperatura inferior al anterior. Como el punto de ebullición disminuye al hacerlo la
presión, se puede utilizar el vapor generado en un efecto para calentar el siguiente, al
mismo tiempo que el vapor se condensa.
El agua de mar es sometida al siguiente proceso:
a) Se introduce el agua en una cámara o efecto a través de un pulverizador.
b) Al caer entra en contacto con un tubo, por el que circula vapor de agua calentada
en una caldera (para el primer efecto), produciéndose un intercambio de calor
que favorece que se produzca la evaporación.
c) El vapor generado pasa a un serpentín que se introduce en el segundo efecto,
actuando en el intercambio de calor (obteniendo el mismo efecto que produce en
el paso anterior el agua calentada por una caldera).
d) Por su parte, el agua que no se evapora en el primer efecto es recogida en la
parte inferior, introduciéndose, a su vez, a través de un pulverizador en el
segundo efecto.
En este proceso igual que en el de MSF, cada cámara tiene una presión y
temperatura siendo ambas cada vez inferiores.
Normalmente cuentan con una cantidad de efectos que oscila entre 8 y 16.
Suelen operar a temperaturas máximas de unos 70ºC (son inferiores a las empleadas en
MSF).
Las ventajas de estos procesos frente a otros de destilación son:
- Trabajar a menor temperatura, con lo que los riesgos de corrosión y
precipitación son menores.
34

56. 2. Introducción
- Como consecuencia de lo anterior y de que la potencia de bombeo es menor, el
consumo energético se reduce.
- Al trabajar a menores temperaturas y presiones se pueden emplear materiales
de trabajo y de construcción más baratos, por lo que se reducen los costes de
implantación.
La figura 2.12 muestra el diagrama de un proceso de evaporación de múltiple
efecto.
Figura 2.12. Evaporación de múltiple efecto (P1 > P2 > P3).
2.3.1.3. Destilación por compresión de vapor
La destilación por compresión de vapor es el proceso más rentable desde el
punto de vista económico. Pero se suele reservar para instalaciones de tamaño medio o
pequeño y no para grandes producciones.
El proceso que se realiza es muy similar a las MED:
a) El agua se precalienta con intercambiadores de calor.
35

57. 2. Introducción
b) A continuación es introducida en una cámara (evaporador), donde es
pulverizada.
c) Al entrar en contacto con un serpentín (por el que circula vapor comprimido),
que actúa como intercambiador de calor, se evapora.
d) El vapor formado se introduce en un tubo que va al compresor (donde es
comprimido) y pasa a la cámara de evaporación, dentro del tubo, produciendo
intercambio de calor (se aprovecha así el calor del agua producto).
e) En el tubo anterior se condensa, obteniéndose el agua producto.
f) El agua que no es evaporada se recoge y se recircula, en parte, mediante un
grupo de bombeo, entrando de nuevo en la cámara de evaporación.
Este tipo de instalaciones se construyen en módulos que son capaces de producir
entre 400 y 1.500 m3/día. Si se desea producir cantidades mayores se deben instalar
elementos sucesivos.
Igual que en los casos anteriores se trabaja a bajas presiones para reducir la
temperatura de trabajo. La figura 2.13 muestra el diagrama del proceso de compresión
de vapor.
Figura 2.13. Evaporación por compresión de vapor.
36

58. 2. Introducción
2.3.1.4. Destilación solar
Éste es otro tipo de destilación, que aprovecha la energía solar de forma directa.
El agua es introducida en una balsa, cubierta con materiales transparentes y se calienta
de forma natural mediante energía solar. Una vez evaporada sube hacia la cubierta y al
contacto con ésta se condensa y es recogida.
Este tipo de desalación no presenta costes energéticos pero su productividad es
muy baja (2 a 4 L/m2día). Por otra parte, presenta numerosos inconvenientes:
- No se puede utilizar para grandes producciones de agua por su baja
productividad.
- Se requieren grandes superficies de terreno, encareciendo notablemente los
costes de instalación y haciéndola inviable en muchos casos.
- Los costes de mantenimiento son elevados, ya que se requiere mantener en
muy buenas condiciones las cubierta. El ensuciamiento de la misma reduce la
productividad, al impedir la entrada de la energía solar.
2.3.2 Procesos de membranas
Los procesos de membranas son aquellos en los que la separación entra las sales
y el agua se lleva a cabo sirviéndose de unas membranas que actúan de forma selectiva
respecto al agua y las sales. En estos procesos no se requiere un cambio de estado como
en el caso de la destilación.
Existen diferentes procesos de membranas, pero los empleados para la
producción de agua dulce a partir de agua de mar o agua salobre son los procesos de
ósmosis inversa y de electrodiálisis. En el primero de ellos se separa el agua de las sales
mientras que en el segundo se separan las sales del agua.
37

59. 2. Introducción
2.3.2.1. Electrodiálisis
La electrodiálisis es un proceso de separación electroquímico mediante
membranas, de especies cargadas iónicamente. Los iones son transferidos a través de las
membranas de intercambio iónico por medio de una tensión o corriente eléctrica
continua (AWWA, 2002).
En una celda electrolítica simple, los iones cargados negativamente se dirigen
hacia el electrodo cargado positivamente (ánodo) y los cargados positivamente se
dirigen hacia el electrodo cargado negativamente (cátodo). Una celda básica de
electrodiálisis está formada por membranas permeables a los aniones y por membranas
permeables a los cationes, dispuestas de forma alterna, que dan una base para la
separación de iones bajo tensión continua. Un par de celdas es el elemento básico para
construir una pila de membranas de electrodiálisis. Está formado por dos membranas
del mismo tipo y en medio una diferente (como por ejemplo catiónica-aniónica-
catiónica) entre un par de electrodos, como se muestra en la figura 2.14.
Figura 2.14. Diagrama simplificado de una celda de electrodiálisis (AWWA, 2002).
En la figura 2.14 se observa como los iones cloruro pasan por la membrana de
transferencia aniónica mientras que los iones de sodio pasan por la membrana de
transferencia catiónica. De esta forma, tanto los iones de sodio como los de cloro
quedan atrapados en el canal de concentrado ya que no pueden atravesar la siguiente
membrana. Se produce de esta forma una corriente desmineralizada y otra corriente de
concentrado.
38

60. 2. Introducción
Una pila o batería de membranas está constituida por cientos de pares de
membranas ensambladas en paralelo entre dos electrodos. Se colocan las membranas de
forma alternativa formando un paquete y se introduce el agua a través de ellas. A
continuación se establece una diferencia de carga que produce el desplazamiento de los
iones atravesando la membrana permeable a los mismos. De esta forma se obtienen
unos canales con agua exenta de la mayor parte de las sales y otros canales
concentrados. La figura 2.15 muestra un diagrama de electrodiálisis estándar que
incluye recirculación de salmuera.
Alimentación Agua dulce
Ánodo (+)
+
C
+ + -
-
- +
A
+ -
C
+ - + -
- +
A
-
+
C
+ - +
- + -
A
+ -
C
Cátodo (-)
Recirculación Salmuera
Figura 2.15. Batería de electrodiálisis con recirculación.
Los procesos de electrodiálisis requieren la adición de un ácido y/o
antiincrustante para evitar la precipitación de sales. Para mantener el rendimiento del
proceso se requiere realizar limpiezas periódicas, que eliminen la materia depositada en
la superficie de la membrana. Para favorecer este proceso se emplea la electrodiálisis
reversible, EDR.
39

61. 2. Introducción
La EDR opera sobre los mismos principios básicos que la electrodiálisis estándar
(AWWARF, 1998). En este caso, sin embargo, la polaridad de los electrodos se invierte
periódicamente (3 a 4 veces por hora), intercambiándose también las salidas del
acumulador (del agua producto y del concentrado). De esta forma, los iones son
transferidos en direcciones opuestas a través de las membranas, como se observa en la
figura 2.16 para una celda básica de electrodiálisis entre las situaciones A y B.
Alimentación
+ + +
Cátodo - - + Ánodo
-
Agua dulce
Salmuera
A
Cambio de polaridad
Alimentación
+ +
+
Cátodo + - - Ánodo
-
Salmuera
Agua dulce B
Figura 2.16. Electrodiálisis reversible.
La electrodiálisis reversible presenta como ventajas la reducción del potencial de
incrustación, rompe la incrustación reciente, reduce el crecimiento microbiológico sobre
la superficie de la membrana, disminuye la frecuencia de las limpiezas de membrana y
permite limpiar los electrodos con el ácido formado durante la operación anódica.
40

62. 2. Introducción
Como se esquematizó en la figura 2.15, el diseño de los proceso de
electrodiálisis se suele llevar a cabo recirculando parte de la salmuera. De esta forma se
aumenta la recuperación del proceso, se reduce el caudal de rechazo, se reduce el
pretratamiento y se maximiza la concentración de sales. El caudal recirculado viene
limitado por la posibilidad de que se produzca precipitación de sales.
Las membranas de intercambio iónico tienen una estructura de soporte
polimérica, con sitios o lugares fijos y pasos de agua que rechazan los iones comunes y
dejan pasar los contraiones a través de ella. Las membranas de intercambio iónico
deben ser esencialmente impermeables al agua e insolubles en ella, presentar una
elevada conductividad eléctrica y una alta permeselectividad iónica. Deben presentar
una buena estabilidad química y ser resistentes a pH entre 1 y 12 (durante el proceso) y
estables a temperaturas superiores a 45ºC. Deben ser resistentes al cloro y a la presencia
de compuestos orgánicos.
La membrana aniónica está compuesta de una resina aniónica fundida con una
carga negativa, fijada en forma de lámina. La carga fijada negativa ayuda a los cationes
a pasar, evitando el paso de los aniones. Por su parte, la membrana catiónica tiene una
carga fijada positiva que repele a los cationes, al tiempo que deja pasar a los aniones
(figura 2.17).
Figura 2.17. Membranas de intercambio catiónico y aniónico (AWWA, 2002).
Las membranas aniónicas presentan como grupo activo derivados de amonio
cuaternario. Están formados por copolímeros de etileno-divinilbenceno amonio
cuaternario. Son más susceptibles al ensuciamiento coloidal, debido a la carga
superficial y muestran una baja resistencia química.
41

63. 2. Introducción
Las membranas catiónicas presentan en su estructura grupos sulfonatos. Están
formados por copolímeros de etileno-divinilbenceno sulfonado. Muestran una gran
afinidad por el agua, son menos susceptibles al ensuciamiento coloidal y ofrecen una
resistencia química mayor que las aniónicas.
Entre las membranas se coloca un espaciador o separador. La solución fluye por
el espaciador, que favorece el régimen turbulento y reduce la polarización en la
superficie de la membrana.
El campo de aplicación de la electrodiálisis dentro de los procesos de
tratamiento de agua está fundamentalmente en las aguas salobres con contenidos de
sólidos totales disueltos menores de 15.000 mg/L La electrodiálisis resulta muy
competitiva frente a la ósmosis inversa para concentraciones de TDS inferiores a 5.000
mg/L (AWWARF, 1998).
2.3.2.2. Ósmosis inversa
La ósmosis inversa es un proceso de desalación en el que se separa el agua de las
sales mediante la utilización de membranas selectivas, que son permeables al agua y
prácticamente impermeables a las sales disueltas en ellas (membranas semipermeables).
Se utilizan para cualquier volumen de agua tratada, independientemente de la
salinidad del agua de alimento. Resulta un proceso competitivo frente a la desalación
por evaporación con agua de mar y competitivo con la electrodiálisis a bajas
salinidades.
El proceso consiste en introducir el agua salobre y hacerla pasar a través de una
membrana permeable al agua pero que impide el paso de las sales.
42

64. 2. Introducción
Debido a que no se requiere un cambio de fase el consumo energético es menor
que en otros procesos y por otra parte las conversiones que se obtienen son elevadas.
En rasgos generales, sus características más importantes son las siguientes
(Medina, 1999):
- Menor consumo energético.
- Se pueden utilizar independientemente de la calidad del agua de alimento.
- La inversión inicial depende de la calidad del agua a tratar pero, generalmente,
es inferior a otros sistemas.
- Precisa pretratamientos físico-químicos exhaustivos.
- Las extensiones de terreno necesarias son de tipo medio.
- Requiere una fuente de energía exterior.
- Manejo complicado.
2.3.3 Otros procesos de desalación
A continuación se describen otros procesos, que aunque se pueden emplear para
la desalación, no se aplican a nivel industrial.
2.3.3.1 Congelación
Al producirse la congelación del agua las sales quedan excluidas. El proceso
consiste en congelar el agua y lavar la mezcla, separando las sales del hielo formado.
Seguidamente se derrite el hielo, obteniéndose el agua potable.
En teoría, este proceso consume menos energía que los procesos de evaporación
y presenta un menor efecto corrosivo, de incrustaciones y precipitación. Pero en la
práctica es muy difícil la manipulación del hielo y el agua de forma mecánica, por lo
que no se aplica a nivel industrial.
43