9.8: Los muchos usos del agua

Más allá de sus conocidos usos domésticos y para riego, el agua tiene muchas aplicaciones. Un recurso verde renovable y sustentable, junto al agua del aire es la materia prima más barata y universalmente disponible y, por ser totalmente renovable, es la materia prima más verde. Aquí se abordan solo algunas de la enorme cantidad de tecnologías basadas en agua.

Muchos de los usos del agua provienen de sus propiedades físicas únicas, especialmente porque se relacionan con la capacidad extraordinariamente alta del agua para absorber y liberar energía térmica. A 100° C, se requiere una cantidad muy alta de 40.7kilojoules/mol (kJ/mol) para cambiar el agua líquida a vapor y se libera una cantidad correspondientemente grande de calor cuando el vapor se condensa en agua líquida, el mayor calor de vaporización de cualquier sustancia común. Se aprovecha esta característica al vaporizar el agua en una caldera, moverla como vapor, y condensarla de nuevo a líquido, un medio muy efectivo para mover la energía térmica de un lugar a otro, como para calentar múltiples edificios en un campus universitario, por ejemplo. Algunas ciudades europeas utilizan dicho sistema de calefacción urbana para calentar casas y apartamentos residenciales, a menudo con calderas alimentadas en parte por basura municipal. El alto calor de fusión para hielo permite el uso de agua sólida para absorber el calor.

El vapor es un fluido de trabajo muy efectivo para convertir la energía térmica en energía mecánica. Esto solía hacerse con motores de pistón, incluidos los de locomotoras de vapor, pero ahora se realiza con turbinas de vapor. El vapor se produce en calderas de tubo de agua en las que el agua líquida se evapora dentro de tubos de 2-8 cm de diámetro alrededor de los cuales circulan gases de combustión Los bidones de agua para almacenamiento de agua y los bidones de vapor para almacenamiento de vapor están aislados del fuego para evitar una explosión en caso de que se rompan, lo que sucedería si su contenido entrara en la cámara de combustión.

Una interesante aplicación de vapor que facilita enormemente el uso sustentable de la madera es la fabricación de pulpa por explosión de vapor de madera en la que la madera se calienta con vapor presurizado a 180° C a 210° C. Este paso es seguido por una descompresión muy rápida de tal manera que la madera literalmente explota liberando fibras de madera que se pueden utilizar en numerosas aplicaciones, incluyendo la fabricación de pulpa de papel y cartón de fibra. La celulosa en las fibras se puede tratar para producir azúcares que pueden fermentarse para producir alcohol.

Una consideración importante en la producción de vapor para cualquier propósito es la prevención de incrustaciones, incrustaciones y corrosión, que generalmente requiere agua muy pura y cuidadosamente tratada. La mejor fuente de dicha agua es el propio vapor, que se condensa para que el agua de maquillaje regrese a la caldera. El agua de alimentación a una caldera se trata para eliminar los contaminantes que pueden causar la acumulación de sólidos en los tubos de la caldera. Se añaden sales de fosfato para eliminar el calcio disuelto y el magnesio (dureza) mediante reacciones tales como las siguientes:

\[\ce{5Ca^{2+} (aq) + 3PO4^{3-} (aq) + OH^{-} (aq) -> Ca5OH(PO4)3 (s)}\]

Se requiere la eliminación del silicio del agua de alimentación de la caldera porque puede transportarse con vapor y causar depósitos dañinos de SiO ₂ en las palas de la turbina. Tanto el dióxido de carbono disuelto como el oxígeno son corrosivos. La hidrazina se puede usar para eliminar trazas de oxígeno residual mediante la siguiente reacción:

\[\ce{N2H4 + O2 \rightarrow 2H2o + N2}\]

Los agentes anticorrosivos, como la ciclohexilamina, se agregan al agua de alimentación de la caldera.

Los videos de aguas de inundación que arrancan estructuras y las llevan lejos dan fe de la capacidad del agua para transmitir energía mecánica. Se aprovecha esta capacidad mediante el uso de chorros de agua a presión para cosechar arena y grava de los lechos de los ríos y extraer y procesar algunos tipos de minerales.

El mayor uso de la energía mecánica del agua en movimiento es la aplicación de energía hídrica. Empleada durante muchos siglos como fuente de energía renovable, la energía del agua es la fuente más antigua de energía no animal aprovechada, por ejemplo, por ruedas hidráulicas que alimentan aplicaciones de molienda de granos o aserraderos. La energía se puede cosechar del agua que fluye cuesta abajo de una corriente presa y de las mareas oceánicas ascendentes y descendentes. El mayor uso actual del agua en movimiento es para que la energía hidroeléctrica funcione con generadores de electricidad. Estados Unidos tiene ahora alrededor de 100,000 megavatios de capacidad hidroeléctrica (una gran planta de energía fósil o nuclear normalmente tiene una capacidad de 1000 MW). Esta capacidad podría duplicarse utilizando todos los sitios disponibles en Estados Unidos, incluyendo Alaska para la energía hidroeléctrica, aunque esto no sucederá por razones económicas y ambientales. Una adaptación útil de la energía hidroeléctrica es el almacenamiento por bombeo en el que las turbinas se invierten para bombear agua a estructuras de contención a elevaciones más altas durante períodos de baja demanda de electricidad y el agua almacenada se utiliza para hacer funcionar turbinas conectadas a generadores eléctricos cuando la demanda es alta.

La energía hídrica brinda ventajas económicas y ambientales, incluyendo una fuente gratuita de “combustible” y la falta de emisiones o cenizas, lo que convierte a la energía hídrica en una de las fuentes de energía “más verdes”. Los problemas pueden surgir en condiciones de sequía extrema cuando el agua simplemente no está disponible.

Desafortunadamente, los vastos embalses requeridos para la mayoría de los desarrollos hidroeléctricos destruyen los ríos que fluyen libremente y son perjudiciales para la migración de peces, como la requerida para la reproducción del salmón. La mayoría de los sitios potencialmente disponibles que quedan se encuentran en regiones remotas desde las cuales el traslado de electricidad a centros de población requiere de líneas eléctricas masivas, que también presentan problemas ambientales. Debido a esto, ahora hay una tendencia hacia el desmantelamiento de presas para restaurar el flujo normal de los arroyos, la estética de los valles y gargantas de los ríos, y el hábitat de vida silvestre. (Los sedimentos acumulados en reservorios, algunos de los cuales contienen material peligroso, pueden liberarse cuando se retiran las presas y causar problemas aguas abajo). También se han desarrollado nuevas tecnologías que utilizan el poder de mover el agua en los lechos de los ríos sin necesidad de presas.

El agua como solvente

El agua es un solvente extraordinariamente bueno para una variedad de materiales y sus propiedades solventes se pueden mejorar con aditivos adecuados, especialmente surfactantes que reducen su tensión superficial convirtiéndola en un potente agente de limpieza. Mezclado con lubricantes suspendidos, el agua es muy útil como lubricante y agente refrigerante, como en operaciones de estampación de metales. La sustitución de agua tratada adecuadamente por solventes orgánicos, que generalmente provienen del petróleo no renovable y son costosos, ha extendido el uso del agua para lavar piezas pequeñas, como componentes electrónicos. Como solvente para reactivos químicos, el agua sirve como medio para muchas aplicaciones de síntesis química y procesamiento. Las sustancias se pueden purificar disolviéndolas en agua, luego evaporando parte del agua para dejar una forma purificada de la sustancia; algunas sales se purifican por este medio.

El agua es útil por sus propiedades químicas y es un ingrediente químico para una serie de reacciones químicas industriales. Se requiere para el endurecimiento del Cemento Portland para hacer concreto. Se puede utilizar como reactivo en el tratamiento de algunos tipos de desechos peligrosos por hidrólisis. El agua sirve como fuente de hidrógeno elemental utilizado como combustible en las celdas de combustible y como materia prima en la elaboración de algunos productos químicos, como el amoníaco. El hidrógeno elemental se genera junto con el gas oxígeno cuando se pasa una corriente eléctrica continua a través del agua que se ha hecho conducir mediante la adición de una sal. El hidrógeno se produce en el cátodo cargado negativamente cuando se agregan electrones (e -) a las moléculas de agua,

\[\ce{2H2O + 2e- \rightarrow H2 (g) + 2OH-}\]

y el oxígeno se genera en el ánodo cargado positivamente por la eliminación de electrones del agua:

\[\ce{2H2O \rightarrow O2 (g) + 4H+ + 4e-}\]

La reacción neta es simplemente la siguiente:

\[\ce{2H2O \rightarrow 2H2 (g) + O2 (g)}\]

El proceso es sin duda un ejemplo de química verde porque el único reactivo es el agua y el único subproducto es el gas oxígeno, que tiene varios usos o puede liberarse inofensiblemente a la atmósfera. En Islandia, el gas hidrógeno producido por la electrólisis del agua generada a partir de abundantes fuentes hidroeléctricas y geotérmicas de electricidad se utiliza para alimentar automóviles.