Desionización capacitiva, desde la idea hasta la planta piloto
Autora: Cleis Santos (Instituto IMDEA Energía)
Teniendo en cuenta la escasez de agua dulce para consumo humano debido a la poca disponibilidad de la misma y al aumento de la demanda por el incremento en la población y por las sequías originadas por el cambio climático, se hace necesario el desarrollo e implementación de tecnologías de desalinización de aguas más sostenibles tanto energéticamente como en términos económicos. En este contexto, la Desionización Capacitiva (CDI) ha captado la atención de la comunidad científica como una tecnología de desalinización emergente viable [1] [2].
Como se explica en un artículo publicado en noviembre de 2013 de este blog elaborado por Julio José Lado Garrido, la CDI es un tratamiento electroquímico de agua basado en supercondensadores que permite la purificación de aguas salinas mientras se almacena energía de forma simultánea. Mediante la polarización de los electrodos que componen el supercondensador se fuerza a los iones de la disolución salina, que pasa a través de ellos, a ser adsorbidos en la superficie de dichos electrodos (cationes hacia el electrodo negativo y aniones hacia el electrodo positivo) de esta forma se almacenaría energía cargando el supercondensador y se retirarían iones del medio acuoso produciendo un agua con menor contenido salino.
Fig. 1. Esquema del proceso de Desionización Capacitiva (CDI). [3]
Para el desarrollo de dicha tecnología y su implementación como un proceso de desalinización efectivo es necesario realizar un escalado óptimo del sistema desde el laboratorio hasta la investigación de la desalinización en planta piloto.
Por lo tanto, el primer paso es establecer a escala de laboratorio una metodología de evaluación electroquímica de materiales para electrodos de CDI. Mediante el uso de pequeñas celdas electroquímicas de 1cm2 (celda Swagelok®) se realizan ensayos de materiales activos (carbones activados, fibras de carbono, aerogeles de carbón, etc) y colectores de corriente que conformarán los electrodos. Sin embargo, en este tipo de celdas no se pueden obtener resultados en condiciones reales de operación como por ejemplo bajo condiciones de circulación de electrolito.
Por ello, el siguiente paso es el estudio de materiales, con las mejores prestaciones obtenidas en 1cm2, en celda de laboratorio de 10cm2. En este pequeño reactor electroquímico se corroboran los resultados obtenidos a pequeña escala, y se realizan los ensayos preliminares para evaluar las prestaciones del sistema ante cambios en las condiciones de operación: caudal de circulación del electrolito, cambio de líquidos entre la desionización y la regeneración, ensayos a voltaje constante o a corriente constante, etc. En estos electrodos se incrementa la carga másica del carbón activo al aumentar la superficie pero no es suficiente para detectar cambios de conductividad asociados a la retirada de iones.
Para cuantificar la eliminación de iones del agua, es necesario seguir escalando el sistema y realizar el montaje de un reactor de 20 celdas con electrodos de 300cm2.En este reactor se pueden estudiar las variables del proceso y modos de operación y obtener valores de eficiencias energéticas, consumos energéticos, caudales de agua tratada o ratios de eliminación de iones. Por ejemplo, para un electrolito de entrada de 2800ppmNaCl y aplicando una densidad de corriente de carga de 0,7 A/m2 se eliminarían entre 5-10g/L tratando 15L/d y consumiendo 0,8kW/m3, para estas concentraciones de NaCl (aguas salobres) la ósmosis inversa tiene consumos entre 0,5-2,5kWh/m3 lo que hace que la CDI pueda competir a estas concentraciones con la tecnología de desalinización más extendidas del mercado.
Los estudios en planta piloto permiten obtener información sobre la optimización de los modos de operación del sistema, el escalado del sistema, el coste de desalinización y la estabilidad y durabilidad de los electrodos [4].
Fig. 2. Celda Swagelok®, Celda de 10cm2, Reactor 20celdas.
Por último es importante la estimación de las prestaciones de plantas industriales de desalinización basadas en CDI. Algunas de las conclusiones de estos estudios son que la CDI tiene una alta tasa de recuperación de aguas, en torno al 90%, que sería necesario aumentar el caudal másico de eliminación de sales y además reducir el consumo energético a concentraciones elevadas (para concentraciones de aguas salobres la CDI ya tiene un coste económico menor que el de la ósmosis inversa: 0,11$/m3 frente a 0,35$/m3 [4])
REFERENCIAS
[1] World Water Council, Visión Mundial del agua – Resumen ejecutivo. Disponible en:www.worldwatercouncil.org/fileadmin/wwc/Library/Publications_and_reports/Visions/SpanishExSum.pdf
[2] Chenoweth, J. (2010). Minimum Water Requirement for Social & Economic Development. Desalination, 229 (1-3): 245-256.
[3] M.A. Anderson, A.L. Cudero, J. Palma, Capacitive Deionization as an Electrochemical Means of Saving Energy and Delivering Clean Water. Comparison to Present Desalination Practices: will it Compete? Electrochim. Acta 55 (12) (2010) 3845-3856.
[4] F.A. AlMarzooqi, A.A. AlGhaferi, I. Saadat, N. Hilal, Application of Capacitive Deionization in Water desalination: A review, Desalination, 342, (2014) 3-15.
