APLICACIÓN DE LA TEORIA DE INVENTIVA PARA LA RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS (TRIZ) PARA LA DESALINIZACIÓN DE AGUA DE MAR

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1 Abstract X CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERÍA DE PROYECTOS VALENCIA, ESPAÑA, 2006 APLICACIÓN DE LA TEORIA DE INVENTIVA PARA LA RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS (TRIZ) PARA LA DESALINIZACIÓN DE AGUA DE MAR J. Lechuga- Andrade p, M. Rodríguez- Salvador, J. Lloveras- Macià Theory of Inventive Problem Solving (TRIZ) application for seawater desalination J. Lechuga Andrade p, M. Rodríguez Salvador, J. Lloveras Macià Fresh water scarcity and increasing worldwide population, have created a problem to give access to the vital liquid everywhere. During use, water might be contaminated by harmful substances which must be eliminated before water is carried back to its original reservoirs. There are new technologies to decontaminate water through development of alternative process, and energy generation. The reverse osmosis process to desalinate seawater has been improved through research and development to obtain a good quality product at low cost. In this study the Innovation Work Bench Ideation program, also known as modern TRIZ, was used to obtain efficient data to optimize the reverse osmosis process, the interactions substance-area, were analyzed to obtain innovative solutions, and the use of the SUH diagram showed the elements involved, several potential research lines were identified such as the possibilities to use new non-corrosive materials for the membranes, sensibility analysis of environmental variables and salty water, equipment design for refused water to generate renewable energy, and membrane self- cleaning to decrease costs. Key words: seawater, desalinization, TRIZ Resumen La escasez de agua dulce a nivel mundial, y el incremento de la demanda, han acrecentado la problemática, para el acceso al vital líquido de un mayor número de personas. Durante su uso, el agua se carga de sustancias, que pueden ser elementos perjudiciales para la salud del hombre y los animales, de modo que deberá ser descontaminada, y que al ser devuelta a los cauces receptores, su impacto sea el mínimo deletéreo para los seres vivos. Las tecnologías para depurar agua continúan renovándose con nuevas aportaciones de procedimientos, materiales y cogeneración energética en procesos duales. En el caso específico de la ósmosis inversa para desalinización de agua de mar, a través de investigación y desarrollo se ha mejorado el proceso para obtener un producto de calidad a bajos costos. Con la utilización del programa Innovation Work Bench Ideation, también llamado TRIZ moderno, se planteó el reto de obtener pautas, para eficientar el proceso para desalinización de agua de mar. Con esta metodología se analizan las interacciones sustancia-campo para la búsqueda de soluciones innovadoras en el proceso; con el apoyo del diagrama SUH, se identificaron los elementos que intervienen en el sistema, y apoyen soluciones innovadoras. Se identificaron líneas de investigación potenciales: nuevos materiales 953

2 anticorrosivos para el uso de membranas y demás equipamiento, un análisis de sensibilidad de las variables ambientales y de la salinidad del agua que interfieran en el proceso, la posibilidad de utilizar catalizadores que eficienten el sistema para desalinización, el diseño de equipos que aprovechen el agua de rechazo para cogenerar energía renovable, la autolimpieza de membranas que disminuyan costos de operación y prolonguen la vida útil de las mismas. En síntesis, crear ideas innovadoras que optimicen el proceso de ósmosis inversa para desalinización de agua marina. Palabras clave: agua marina, desalinización, TRIZ 1. Introducción El agua es el compuesto químico más familiar, el más abundante y el de mayor significación para la vida; sin embargo, sólo el 3% del agua del planeta es dulce y está en proceso de agotamiento. La contaminación, el uso indiscriminado y las estrategias de comercialización allí donde no la hay, tiene como consecuencia, por ejemplo, que 2.2 millones de personas por año mueran de sed o se enferman por consumir agua contaminada, según la Organización Mundial para la Salud, Estas y más cifras se generan año por año en el mundo, lo cual se convierte en un tema preocupante para las generaciones futuras. Por esta y más razones hoy en día se buscan alternativas para la obtención de agua para el consumo humano, ya sean metodologías para su purificación, o incluso, alternativas extremas como la de desalinización de agua oceánica para su futuro consumo. Se ha mencionado que el 97.5% del agua en la tierra es salada, y el incremento de la contaminación de ríos, lagos, aguas subterráneas, hace imposible su utilización como agua consumible; por ello se han propuesto alternativas como es el aprovechamiento del agua de mar, aplicando tecnologías que permitan eliminar los sólidos y microorganismos no deseados y así producir agua potable. [1]. Existen distintos procesos para desalinización de agua de mar, los cuales presentan ventajas y desventajas, que hacen que algunos sean más eficientes. La búsqueda constante y sistemática de nuevas ideas que mejoren los procesos para desalinización, condujo a la búsqueda de técnicas que coadyuven a la generación de innovaciones que permitan eficientar esos procesos. Una de las técnicas utilizadas para obtener los propósitos expuestos, es la Teoría para la Resolución Inventiva de Problemas (TRIZ), acrónimo del idioma ruso, Teorija Rezhenija Izobratatelskih Zadach, de Genrich S. Altshuller. [2], [3] 2. Objetivos Identificar variables que permitan eficientar procesos de desalinización del agua de mar a bajo costo. Definir una metodología para la búsqueda de soluciones innovadoras mediante el uso del proceso de osmosis inversa. Determinar líneas de investigación potenciales para evaluar materiales, equipos y utilización eficiente de energía renovable. 954

3 3. Metodología. Para iniciar este estudio, se utilizaron los conceptos de Inteligencia Competitiva y Tecnológica para conocer y aprovechar al máximo las capacidades y recursos disponibles de la tecnología que se posee. Para obtener la información en este proceso de Inteligencia, se accedió a las bases de datos de Biblioteca Digital, del Sistema ITESM (Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey), además de una selección de bases de patentes de México, Estados Unidos, Japón y España, sobre propiedad intelectual (http//biblioteca.itesm.mx). El proceso de búsqueda se diseñó utilizando palabras clave relacionadas con procesos de desalinización de agua de mar: inverse osmosis, evaporation multiple-stage, evaporation, solar skills y electrodialysis. El análisis de todo el acopio de información fué procesado a través de un análisis FODA, Fuerzas, Oportunidades, Debilidades y Amenazas y una matriz MET, Materiales, Energías y Toxicidad. Posteriormente, se aplicó el software Innovation Work Bench (IWB), Ideation, el cual se fundamenta en la TRIZ, para plantear el problema: Proceso de Ósmosis Inversa con Cogeneración de Energía, utilizando el agua de desecho de la membrana, para alimentar al Intercambiador de Presión. Este programa originó un diagrama SUH para obtener las pautas clave que ayudaron a identificar ideas para la resolución del o los problemas que se presentarán en el proceso. Asimismo, antes de aplicar el software IWB, se realizó un estudio campo-sustancia, que la TRIZ considera relevante, para identificar las sustancias, entendiéndose por estas, cualquier cosa, tangible o no, productos, acciones, hombres, etc; y los campos, en donde se desarrolla el problema a resolver; gravitacional, químico, mecánico, físico, óptico, hidráulico, etc; y facilitar la identificación de la interrelación de las variables campo sustancia, que permitan encontrar pautas, que faciliten la generación de ideas innovadoras, que apoyen a la resolución de problemas. Estas pueden ser, cambio de campos o incrementar los campos; de igual forma con las sustancias, agregar otras, que ayuden a eliminar contradicciones y faciliten la solución de problemas. 4.- Resultados Los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 1 sobre la información obtenida de los documentos analizados, a través de la Inteligencia Competitiva y Tecnológica, que determinan el estado de la técnica y las tendencias en el mercado. La columna de tendencias mundiales se interpretan como relación a la fabricación de plantas desaladoras a nivel mundial, en los últimos años, según la Internacional Water Association, Como puede apreciarse, la ósmosis inversa presenta ventajas significativas con relación a los otros procesos analizados. La utilización del TRIZ, mediante el programa de Innovation Work Bench, arrojó la siguiente información, [4], [5]: 1 - Cogenerar energía utilizando el agua de rechazo, con equipos adecuados. 2 - Utilizar catalizadores que beneficien el proceso de osmosis, disminuyendo presión y consumo de energía. 3 - Un pretratamiento para mejorar la calidad del agua salada, antes de la ósmosis. 4 - Evaluar diferentes temperaturas para optimizar el proceso de ósmosis. 5 - Probar nuevas geometrías de las membranas para lograr la ósmosis inversa utilizando menos presión. 955

4 6 - Encontrar materiales alternos resistentes a la corrosión. INDICADORES Procesos Ósmosis Inversa Electrodíalisis Destilación Multi-efecto MED. Evaporación Multi-etapas Flash MSF Destilación * por energía Solar Consumo de Energía Fósil (kwh/m 3 ) Costos Operación Impacto Ambiental Costos Unitarios (USD / m 3 ) Tendencias Mundiales Fuentes de Energía De 2 a 2.8 Bajos Bajo 0.60 Crecimiento Eléctrica De 16 a 19 Mediano Mediano 58 Estático Eléctrica De 3.4 a 4 Alto Alto 1.5 Decreciente De 5 a 8 Alto Alto 1.10 Decreciente _ Mediano Bajo 28 Estático Creciente * Se opera a bajas escalas de Producción y en climas favorecedores. Tabla 1. Indicadores relevantes en diferentes procesos para la desalinización de agua de mar. Además, sugiere que las siguientes ideas se consideren como conceptos adicionales: - Encontrar una forma de reducir o prevenir la generación de agua de desecho al filtrarla con generación de energía, con la utilización de equipos apropiados. - Encontrar una forma de eliminar, reducir o prevenir el consumo de energía eléctrica, cogenerando energía utilizando el agua de rechazo, sin utilizar equipos adicionales. - Utilizar materiales alternos que permitan el uso de agua salada sin que se produzca corrosión. Durante la aplicación del programa IWB, Ideation, para analizar el Proceso de Ósmosis Inversa (Fig. 1), para la desalinización de agua de mar, con cogeneración de energía, se encontraron pautas que contribuyeron a la definición de líneas de investigación, que puedan eficientar el proceso; entre otras: nuevos materiales para las membranas, mas amigables con el medio ambiente y disminuya el ensuciamiento de las membranas; pretratamientos antes de iniciar el proceso de ósmosis, para disminuir el contenido de sólidos totales del agua, y hacer más ágil el permeado y disminuya el consumo de energía; utilización de catalizadores, que favorezcan la ósmosis; utilizar procesos duales, ósmosis-recuperación de energía, para disminuir el consumo de energías fósiles; por ejemplo, el intercambiador de presión, operando en serie con el proceso de ósmosis, cogenera energía utilizando el agua de rechazo de las membranas, a través de diferenciales de presión; cambiar las geometrías de las membranas, así como pasar del estado en reposo a movimiento; utilización de energías renovables, en climas favorecedores, eólica, solar, maremotriz; líneas que nos ayudan a la generación de ideas, que puedan desarrollarse y mejorar la eficiencia del proceso. Eléctrica Calorífica Eléctrica Calorífica Energía solar 956

5 Fig. 1. Proceso convencional de Ósmosis Inversa Con base en lo anterior, se encontraron dos alternativas potenciales de innovación, en el proceso de ósmosis inversa; el primero se basa en un sistema de aprovechamiento de las fuerzas hidrodinámicas, para producir la ósmosis inversa en las membranas, en un proceso integral, ósmosis-recuperación de energía. Y que contribuya para la limpieza de las membranas, lo que permitiría mayores tiempos productivos. En síntesis, modificar la forma de alimentación y la hidrodinámica interna del fluído, así como promover ciclos de operación más largos, con recuperación de energía. La otra posible alternativa de innovación, es el aprovechamiento del agua de mar, que queda después de la recuperación de la sal (NaCl), y de ahí, se separen el sulfato de magnesio (MgSO 4 ) y el cloruro de magnesio (MgCl 2 ); luego se descompone el sulfato de magnesio, con energía solar, y la reacción de esta descomposición química, libera energía, la cual podría utilizarse entre otras, para los procesos de ósmosis inversa, para la desalación de agua de mar. El diagrama SUH (Fig. 2) complementó las pautas clave para la generación de las ideas inventivas para la resolución de los problemas identificados en el proceso. Este diagrama, apoya la interpretación de la información que se proporcionó al utilizar la herramienta IWB. Los contenidos en los cuadros verdes corresponden a partes del proceso consideradas como benéficas, las contenidas en los cuadros rojos, identifican partes del proceso No Deseables, porque aunque sirvan para lograr un fin considerado como útil, crea otra acción pero perjudicial; las flechas de color verde, indican que la actividad inicial produce un efecto benéfico. Las flechas en color verde con rayita en medio, señalan un efecto benéfico al convertir un evento aparentemente perjudicial (rojo), en un evento que aporta beneficios en el sistema y al macrosistema. Las flechas rojas nos indican que un evento deseable, también puede producir eventos perjudiciales. El diagrama, por lo tanto, muestra las partes del sistema que pueden mejorarse, evitarse o cambiarse. 957

6 Fig. 2.- Diagrama SUH 5.- Conclusiones Se desarrolló una metodología para la identificación de problemas y su resolución potencial a través de las pautas generadas por el IWB, complementada por los parámetros reconocidos por el diagrama SUH. Los procesos para desalinización de agua de mar investigados presentan características particulares, tal y como se mostraron a través de las matrices FODA y MET; el proceso de ósmosis inversa reunió los mejores parámetros tecnológicos y de eficiencia. Se encontraron pautas que contribuyeron a la definición de líneas de investigación, que puedan eficientar el proceso. Las pautas generadas en la aplicación del IWB, ayudan a la generación de ideas inventivas, que facilitan la resolución de los problemas que se han mencionado, y permiten proponer innovaciones, que resuelvan las desventajas que presentan los procesos actuales, para la desalinización de agua de mar. 958

7 6.- Referencias [1] American Water Works Association, Research Foundation, Lyonnaise des Eaux, Tratamiento del Agua por Procesos de Membrana, Principios, Procesos y Aplicaciones, M C. Graw Hill. España, 1998, pp [2] Altshuller G., Introducción a la Innovación Sistemática, De pronto apareció el inventor, Internet Global, S.L. España, 1997, pp [3] Altshuller G., The Innovation Algorithm, TRIZ, Systematic Innovation and Technical Creativity, Technical Innovation Center, Inc. USA, 2000, pp [4] Hipple J., Use TRIZ, in Reverse to Analyze Failures, CEP. USA, 2005, pp [5] , TRIZ 23 An Inspirational List of Creativity and Innovation Resources. Correspondencia: Ing. Jorge Antonio Lechuga Andrade Universidad Autónoma de Yucatán Unidad de Gestión de Servicios Tecnológicos Calle 25-A por 56 # 486 Colonia Itzimná, CP Mérida, Yucatán, México Tel: Fax: landrade@uady.mx 959