Electro-potabilización: Sostenibilidad y eficiencia a golpe de ELECTRÓN

21/11/2019

Electro-potabilización: Sostenibilidad y eficiencia a golpe de ELECTRÓN


José Fernando Pérez Serrano

José Fernando Pérez Serrano

  • Doctor en Ingeniería Química y Ambiental
  • Profesional del sector de la potabilización de aguas

 



 
"Así, las Tecnologías electroquímicas son al tratamiento de agua lo que el vehículo eléctrico a la movilidad del futuro: una apuesta decidida por la sostenibilidad"
 

Antecedentes

 
El desarrollo de los procesos de potabilización de agua y su adopción durante el movimiento Higienista en las ciudades representó, sin lugar a dudas, el mayor avance en salud pública durante el siglo XX, permitiendo controlar la transmisión de enfermedades infecciosas como la fiebre tifoidea, el cólera o la shigelosis.
 
A pesar de que en los países más desarrollados se considera un hecho cotidiano, no debemos pasar por alto que aún hoy 3 de cada 10 personas carecen de acceso a sistemas de agua potable seguros.
 
Esta es la razón por la que la Organización de las Naciones Unidas (ONU) trabaja intensamente en este asunto, declarando finalmente en 2010 el acceso al agua potable y al saneamiento como un Derecho Humano e incluyéndolo como el número 6 de los Objetivos de Desarrollo Sostenible, además de ser implícitamente necesario para tantos otros.
 
En otras partes del mundo, como en la Unión Europea, los retos asociados a la potabilización son distintos. Por un lado, están relacionados con una menor disponibilidad y peor calidad del agua pre-potable (mayor presencia de algas, aumento de la concentración de contaminantes emergentes, microplásticos) fruto de la creciente presión antropogénica.
 
Por el otro, la industria debe adaptarse a la nueva realidad y existe una urgente necesidad de sustituir los procesos químicos industriales, incluida la potabilización, por otros más sostenibles. ¿Disponemos de alguna vía para desarrollar soluciones tecnológicas a estos problemas?
 


La electroquímica al servicio de la potabilización del agua

 
La respuesta es que existe una categoría de procesos que pueden dar lugar soluciones en ambos frentes: las tecnologías electroquímicas (TEQ).
 
Las tecnologías químicas convencionales, como la coagulación o la desinfección, tienen su homólogo electro-químico (electro-coagulación, electro-desinfección) que utiliza únicamente energía eléctrica para producir in situ los reactivos necesarios para el tratamiento. A modo de ejemplo, en la Figura 1 se muestra esquemáticamente como es posible generar especies coagulantes o cloro activo en una celda electroquímica.
 
 
Figura 1. Esquema de producción de coagulantes y cloro activo en una celda electroquímica
 
 
En esencia, el coagulante se genera a partir de la disolución forzada de una pieza de aluminio o hierro conectada al polo positivo de un sistema de corriente continua; mientras que el ácido hipocloroso (HClO) se produce a partir de la oxidación de cloruro (Cl-) a cloro molecular (Cl2), de la misma manera en la que se fabrica industrialmente en el proceso cloro-alcali. Esta última molécula, en medio acuoso en un pH entorno a la neutralidad, desproporciona formando Cl- y HClO/ClO-. 
 
Asimismo, también es posible electro-desinfectar generando ozono o peróxido de hidrógeno, ablandar agua mediante electrodiálisis o electro-ablandamiento, y un largo etcétera de tecnologías y combinaciones.
 
La posibilidad de utilizar energía eléctrica da lugar, entre otras, a las siguientes ventajas:
 
  • Control estratégico: permite a la empresa la integración vertical hacia atrás, convirtiéndose en su propia suministradora, eliminando el margen de beneficio de los reactivos y controlando su producción.
  • Seguridad: evitando los riesgos asociados con el transporte, almacenamiento, manipulación y contaminación secundaria del agua.

Los reactivos químicos utilizados en potabilización de aguas cumplen una estricta normativa y son de una alta pureza. Aun así, por ejemplo el hipoclorito sódico puede contener impurezas de cloratos o el cloro líquido sustancias como Br2, CCl4, CH3Cl o hexaclorobenceno que no aparecen en el caso de las TEQ.
 
  • Aplicación en regiones remotas: donde no es viable el suministro de reactivos químicos pero sí obtener energía eléctrica mediante tecnologías off grid.

Especialmente relevante para su aplicación en zonas del planeta donde no existe un tejido industrial desarrollado o es inviable económicamente la distribución de químicos, como es el caso de zonas rurales de África, islas remotas, barcos en alta mar, estaciones de investigación o, incluso, en exploración espacial.
 
  • Sostenibilidad: gracias a la posibilidad de obtener la energía eléctrica mediante fuentes renovables y/o bajas en carbono.

Esta última es clave para el medio y largo plazo, ya que permite a las TEQ alinearse directamente con el objetivo estratégico de la Unión Europea de conseguir una economía próspera, moderna, competitiva y climáticamente neutra para 2050.
 
Así, las Tecnologías electroquímicas son al tratamiento de agua lo que el vehículo eléctrico a la movilidad del futuro: una apuesta decidida por la sostenibilidad.
 


Ejemplos de aplicación

 
Aunque relativamente desconocidas, las TEQ se están abriendo paso en la realidad industrial. Es importante prestar atención no solo a los procesos ya maduros sino a aquellos que se encuentran en fase de investigación, ya que las ideas de hoy serán las tecnologías del mañana. He aquí algunos ejemplos representativos de ambos casos.
 
El ejemplo quizá más cercano es la reciente irrupción de los sistemas de electro-desinfección son las piscinas de agua salada en las que se añade una sal (generalmente, cloruro de sodio) y se electro-genera cloro activo, tal y como se describió anteriormente.
 
Es un proceso más económico, seguro, cómodo y sostenible que la tradicional adición de hipoclorito líquido o en pastillas. Siguiendo esta misma estrategia, la empresa Envirolite® (Estonia) fabrica y comercializa en todo el mundo electrolizadores para agua potable como los que ha instalado en zonas rurales de Malasia.
 
Asimismo, centros de investigación, como el CIDETEQ en México, también disponen de patentes y plantas de demostración para sustituir la adición de hipoclorito/cloro gas en plantas de potabilización.
 
Por otro lado, el equipo del proyecto SafeWaterAfrica, financiado por la Unión Europea y en el que participa investigadores españoles de la Universidad de Castilla-La Mancha (UCLM), está desarrollando un sistema autónomo de potabilización de agua para zonas rurales de África que utiliza, entre otras, sistemas de electro-coagulación y electro-desinfección (CabECO®, patentada por la empresa Alemana Condias GmbH) alimentado con energía eléctrica procedente de paneles solares.
 
En la misma línea, el grupo de Electroquímica Aplicada y Electrocatálisis de la Universidad de Alicante también está desarrollando un sistema de  potabilización alimentado por paneles solares basado en electrodiálisis que también puede aplicarse incluso en lugares desconectados de la red eléctrica.
 
Otra interesante propuesta procede de la empresa inglesa Arvia Technology y su sistema Nyex®. Esta tecnología combina la adsorción con la electro-oxidación para eliminar compuestos orgánicos a nivel de trazas, como pueden ser compuestos odoríferos como geosmina o 2-metilisoborneol, pesticidas, fármacos u otros contaminantes emergentes detectados en aguas pre-potables.
 
Este sistema se puede considerar una evolución de los clásicos filtros adsorbentes de carbón activo pero en el que, a diferencia de aquellos, se aprovecha la conductividad eléctrica del medio filtrante para hacer circular una corriente eléctrica que oxida los contaminantes adsorbidos y regenera el lecho de partículas, como se muestra en la Figura 2.
 
 
Figura 2. Esquema del proceso Nyex® (a) y unidad de demostración (b)
 
 
Convencido de la potencialidad de estas tecnologías, un servidor también ha contribuido al desarrollo de las TEQ, diseñando y construyendo en el grupo E3L de la UCLM una nueva geometría de celda electroquímica denominada microfluidic flow-through.
 
Esta nueva configuración permite optimizar simultáneamente dos de los cuellos de botella de los reactores electroquímicos convencionales: la transferencia de materia (utilizando electrodos 3D alimentados en flow-through) y el consumo eléctrico (gracias a una distancia entre electrodos de 0,1 mm), como se muestra en la Figura 3.
 
El nuevo sistema es de 4 a 10 veces más rápido y consume de 6 a 15 veces menos energía que una celda de flujo comercial, abriendo así la puerta a una nueva generación de reactores utilizables para a cualquier TEQ para tratamiento de agua a escala industrial.
 
 
  Figura 3. Esquema de diseño del reactor microfluidic flow-through
 
 

Conclusiones

 
Esto es solo una pincelada de lo que las TEQ pueden aportar a los problemas que los procesos de potabilización en particular, y los tratamientos de agua en general, deberán afrontar en el futuro cercano.
 
En mi opinión, disponemos de una oportunidad magnífica en España de conjugar la experiencia y el know-how de nuestras empresas en materia de energías renovables y tratamiento de aguas para proporcionar soluciones llave en mano eficientes y sostenibles con las que consolidar el liderazgo de ambos sectores contribuyendo así de manera decisiva a la descarbonización de la economía.
 
 
José Fernando Pérez Serrano
 


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