Assessment and Modeling of Air Gap Membrane Distillation Unit

Resumen Técnico: Evaluación y Modelado de una Unidad de Destilación por Membrana de Brecha de Aire

Planteamiento del Problema
La escasez mundial de agua dulce se está intensificando debido al crecimiento demográfico y al cambio climático, mientras que las tecnologías de desalinización convencionales como la Ósmosis Inversa (RO) y la destilación térmica (MSF/MED) enfrentan limitaciones relacionadas con el alto consumo de energía, la dependencia de los combustibles fósiles y la falta de idoneidad para aplicaciones fuera de la red (off-grid). Aunque la Destilación por Membrana de Brecha de Aire (AGMD) ofrece una alternativa prometedora al utilizar calor de baja temperatura y operar a temperaturas moderadas, la investigación actual enfrenta brechas críticas. Estas incluyen la falta de integración con fuentes de energía renovable (específicamente la solar), la ausencia de sistemas de control dinámicos impulsados por sensores para adaptarse a condiciones variables, y una insuficiente evaluación tecnoeconómica integral que combine la eficiencia térmica con métricas de costo como el Consumo de Energía Térmica Específica (STEC) y el Costo por Litro (CPL). Además, los modelos existentes suelen carecer de una validación experimental rigurosa a través de diversas condiciones operativas.

Metodología
Esta investigación emplea un enfoque dual que combina el modelado teórico y la experimentación empírica para evaluar un sistema AGMD.

• Modelado Teórico: Se desarrolló un modelo termodinámico y de transporte exhaustivo utilizando MATLAB. El modelo incorpora procesos de transferencia de calor y masa, utilizando específicamente el enfoque de difusión molecular de Knudsen para el cálculo del flujo de vapor. Este considera la resistencia de la membrana ($R_m$) y la resistencia de la brecha de aire ($R_a$), contemplando parámetros como la porosidad de la membrana, la tortuosidad y las dimensiones de los poros. Los indicadores clave de desempeño calculados incluyen el flujo de permeado ($J_p$), la Eficiencia Térmica (TE), la Relación de Salida Ganada (GOR) y el STEC.
• Configuración Experimental: Se construyó un banco de pruebas AGMD personalizado e integrado con energía solar para validar el modelo. El sistema cuenta con un colector solar de placa plana para el calentamiento y un sistema de monitoreo en tiempo real basado en Arduino para el control adaptativo de flujo y temperatura. La configuración utiliza una membrana hidrofóbica de Politetrafluoroetileno (PTFE) con una brecha de aire de 5 mm, un tamaño de poro de 0.45 μm y un espesor de 150 μm.
• Parámetros Operativos: Las simulaciones experimentales variaron las temperaturas de alimentación de 40°C a 70°C y las temperaturas del refrigerante de 10°C a 25°C, manteniendo un caudal constante de 2 L/min.
• Análisis Económico: Se realizó un análisis de costos para determinar el Factor de Recuperación de Capital (CRF), el Costo de Mantenimiento Anual (AMC) y el Costo Final por Litro (CPL), asumiendo una vida útil del sistema de 5 años y una tasa de interés del 12%.

Resultos Clave
El estudio arrojó los siguientes hallazgos cuantitativos bajo condiciones óptimas (temperatura de alimentación de 70°C, temperatura de refrigerante de 10°C):

• Flujo de Permeado: El sistema alcanzó una tasa de flujo de permeado máxima de 12.77 kg/m²·h. El flujo demostró un aumento no lineal con el aumento de las temperaturas de alimentación, impulsado por el incremento en la diferencia de presión de vapor y la reducción de la viscosidad de la alimentación.
• Eficiencia Térmica (TE): La eficiencia térmica mejoró significativamente con la temperatura, alcanzando un máximo de 50.62% a 70°C. El estudio también señala que, a una temperatura de alimentación de 70°C, se obtuvo una eficiencia térmica del 44.49%, lo que representa una mejora del 23.89% respecto a las instalaciones de AGMD estándar conectadas a la red que dependen de fuentes de calentamiento no renovables convencionales.
• Consumo de Energía: El Consumo de Energía Térmica Específica (STEC) se minimizó a 29.04 kWh/m³ a la mayor temperatura de alimentación, indicando una utilización eficiente de la energía.
• GOR: La Relación de Salida Ganada aumentó aproximadamente un 60% a medida que la temperatura de alimentación subió de 40°C a 70°C, alcanzando un máximo de 0.191. Los autores señalan que, si bien esto muestra una mejora, este GOR máximo es muy inferior al de otras técnicas de desalinización.
• Viabilidad Económica: El sistema demostró un costo de producción de agua dulce competitivo de $2.52 por metro cúbico ($0.00248/L), el cual es menor que los valores reportados en la literatura comparable (p. ej., $2.77/m³).
• Validación del Modelo: El modelo de MATLAB mostró una fuerte alineación con los datos experimentales y estudios previos (Koura et al., 2025; El Mokhtar et al., 2019). El modelo predijo con precisión las tendencias en flujo, eficiencia, GOR y STEC a través de diversas temperaturas, confirmando la confiabilidad de las formulaciones de difusión de Knudsen-molecular y de transferencia de calor utilizadas.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que esta investigación establece un marco validado para la optimización del diseño de AGMD, abordando específicamente la integración de energías renovables y el control adaptativo. El estudio posiciona al sistema AGMD propuesto, impulsado por energía solar, como una solución práctica y rentable para la desalinización descentralizada y fuera de la red en regiones con escasez de agua. Al lograr una alta eficiencia térmica y un bajo STEC, manteniendo al mismo tiempo un costo de producción competitivo, el sistema se presenta como una alternativa viable a la RO de pequeña escala y a la desalinización térmica convencional. El trabajo sostiene que su combinación de una herramienta de modelado en MATLAB validada, un prototipo alimentado por energía solar con control por sensores en tiempo real y una evaluación tecnoeconómica integral, llena vacíos críticos en la investigación actual de AGMD, apoyando la escalabilidad y robustez de la tecnología para la generación sostenible de agua dulce.