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Las aguas residuales regeneradas podrían ser la solución a la hora de la generación de hidrógeno por electrólisis


10/11/2025

I+D+i
Las aguas residuales regeneradas podrían ser la solución a la hora de la generación de hidrógeno por electrólisis
 
  • Las aguas residuales pueden sustituir al agua limpia como fuente para la producción de hidrógeno, lo que elimina uno de los principales inconvenientes del combustible de hidrógeno y reduce los costes de tratamiento del agua hasta en un 47%, según una nueva investigación de Princeton Engineering
 
Los resultados, publicados el 24 de septiembre en la revista Water Research, suponen un paso adelante para convertir el hidrógeno en una vía práctica para descarbonizar industrias difíciles de electrificar, como la producción de acero y fertilizantes.
 
Z. Jason Ren, autor principal del estudio, afirmó que la producción actual de hidrógeno por electrólisis requiere una gran cantidad de agua potable, lo que aumenta los costes y ejerce presión sobre los suministros locales de agua. Su equipo de investigación quería averiguar si se podía sustituir por agua tratada procesada por plantas de aguas residuales.
 
«La infraestructura del hidrógeno suele competir con el uso local de agua dulce», afirmó Ren, profesor de ingeniería civil y medioambiental y del Centro Andlinger para la Energía y el Medio Ambiente. «Pero todas las ciudades tienen una planta de tratamiento de aguas residuales, y esa es una fuente de agua muy distribuida para la economía del hidrógeno».
 

Producción de hidrógeno con energía renovable

 
La producción de hidrógeno con energía renovable, conocida como hidrógeno verde, se basa en la electrólisis para separar el agua en hidrógeno y oxígeno gaseoso. El agua fluye hacia un electrolizador, donde la corriente eléctrica hace que los ionen de hidrógeno con carga positiva (protones) se desplacen desde un ánodo a través de una membrana especializada hasta un cátodo, donde los protones se combinan con los electrones para formar hidrógeno gaseoso.
 
La mayor parte del hidrógeno que se produce actualmente en Estados Unidos se conoce como hidrógeno azul, en el que el gas natural proporciona la energía para el proceso y al menos parte del dióxido de carbono producido se captura y almacena bajo tierra, lo que convierte al hidrógeno azul en una fuente de energía con menos emisiones de carbono que el uso directo del gas natural.
 
La electrólisis del hidrógeno verde utiliza electricidad renovable y produce emisiones de carbono mucho más bajas. Sin embargo, suele requerir agua ultrapura, que se obtiene tratando el agua del grifo o el agua subterránea con procesos como la ósmosis inversa para eliminar las impurezas que podrían interferir en la electrólisis.
 

Sustituir por aguas residuales

 
El equipo de Princeton probó si podía eludir el proceso de purificación utilizando aguas residuales tratadas en lugar de agua del grifo. En este caso, las aguas residuales se «recuperan», es decir, se tratan hasta el punto de poder ser vertidas a los acuíferos o utilizadas para el riego o la refrigeración industrial.
 
El método ya se había probado anteriormente, pero normalmente fallaba al cabo de un tiempo limitado, según Ren. Para descubrir la razón del fracaso, Lin Du, estudiante de doctorado del laboratorio de Ren, realizó experimentos de diagnóstico cuidadosamente diseñados en un electrolizador de agua con membrana de intercambio protónico, la misma tecnología que se utiliza actualmente de forma comercial con agua ultrapura.
 
Du y sus coautores utilizaron una combinación de pruebas electroquímicas e imágenes microscópicas avanzadas para comparar el rendimiento del agua pura con el de las aguas residuales recuperadas en los reactores. Observaron que el rendimiento del sistema disminuía rápidamente con el agua recuperada, mientras que la misma configuración con agua pura seguía funcionando de forma estable. Mediante análisis experimentales y de modelización, identificaron los iones de calcio y magnesio —los mismos minerales que provocan la acumulación de incrustaciones en los grifos y hervidores domésticos— como la causa principal de la pérdida de rendimiento. Estos iones se adhieren a la membrana, bloqueando el transporte de iones y convirtiéndola de una vía porosa en una barrera sólida.
 

Acidificar el agua

 
Para abordar este problema, los investigadores idearon una solución sencilla: acidificar el agua con ácido sulfúrico. El tampón ácido resultante actúa como una rica fuente de protones que superan a otros iones, manteniendo la conductividad iónica, sosteniendo la corriente eléctrica y permitiendo la producción continua de hidrógeno.
 
«Es caro eliminar todos esos iones para que el agua ultrapura entre en el electrolizador», dijo Ren. «Ahora, basta con acidificarla un poco y luego introducir agua que contenga iones en el electrolizador, y dura más de 300 horas sin problemas aparentes».
 
Su equipo estimó que el uso de aguas residuales recuperadas en lugar de agua purificada podría reducir el coste de la producción de agua en aproximadamente un 47 % y el coste energético del tratamiento del agua en aproximadamente un 62 %.
 
Según Ren, lo más importante es que «este ácido se recircula, por lo que nunca sale del sistema», lo cual es importante tanto desde el punto de vista medioambiental como del coste. Del mismo modo, los iones de calcio y magnesio permanecen en fase soluble sin interferir en la circulación.
 

Enfoque a mayor escala

 
Ren y su equipo están trabajando con socios industriales para comprobar cómo funciona su enfoque a mayor escala, así como si podría funcionar con agua de mar pretratada como entrada. El año pasado, publicaron un estudio sobre la optimización del ahorro de agua y costes en la producción de hidrógeno, en el que identificaban los mejores lugares de Estados Unidos para ubicar instalaciones de hidrógeno junto a instalaciones de aguas residuales donde abunda el agua recuperada. Ese trabajo fue dirigido por Jinyue Jerry Jiang, que fue becario de posgrado Maeder en el Andlinger Center y completó su doctorado en Princeton a principios de este año.
 
«Queríamos estudiar a fondo la posibilidad de utilizar agua recuperada para hacer posible una estrategia nacional de hidrógeno», afirmó Ren. «Llevamos a cabo tanto investigaciones técnicas exhaustivas como análisis generales para satisfacer las necesidades científicas y las necesidades de la industria».
 
El artículo, titulado «Electrolytic hydrogen production from acidified wastewater effluent» (Producción electrolítica de hidrógeno a partir de efluentes de aguas residuales acidificadas), se publicó el 24 de septiembre en Water Research. Además de Du, Jiang y Ren, entre los coautores se encuentran Guangye Zhou, Yuqing Yan y Ryan Kingsbury, de Princeton, y Anthony Ku, de Xiron Global Ltd., miembro no residente del Andlinger Center. Este trabajo ha contado con el apoyo de New Jersey Resources y el Andlinger Center for Energy and the Environment.

 


Fuente www.princeton.edu


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