Tratamiento de agua mediante energías renovables

Algunos de los procesos aplicados al tratamiento de agua consumen grandes cantidades de energía lo que es costoso tanto desde el punto de vista económico como medioambiental, por lo que se están buscando alternativas que abaraten estos procesos. En este artículo se presentan dos procesos de tratamiento de aguas que utilizan energía eléctrica donde ésta es obtenida mediante la utilización de energía fotovoltaica acoplada directamente a los sistemas evitando la utilización de sistemas de almacenamiento intermedios. La producción de energía fotovoltaica es gratuita y abundante.

[Departamento de Química Analítica e Ingeniería Quimica de la Universidad de Alcalá]

De la lista de los 10 principales problemas a los que se debe enfrentar la humanidad en los próximos 50 años los cuatro primeros son energía, agua, alimentos y medioambiente. El problema del agua se puede dividir en dos vertientes escasez y calidad. La mayor parte de los procesos que se utilizan para el tratamiento de agua requieren un gran consumo de energía un recurso escaso y caro. La energía necesaria para el tratamiento del agua, generalmente energía eléctrica, es generalmente producida mediante la combustión de combustibles fósiles con el consabido perjuicio sobre el medioambiente debido a los gases producidos en la combustión por su influencia en el efecto invernadero, sin considerar todo los aspectos socio-económicos y geopolíticos relacionados con los países productores. Los problemas de abastecimiento de agua de calidad se agravan en las  regiones remotas o aisladas donde se suele aunar una escasez de agua de buena calidad (y por la tanto necesita importantes tratamientos para su optimización) con una dificultad en el suministro de energía eléctrica. La tendencia actual es optimizar los procesos de tratamiento de agua mediante la utilización de energías renovables y descentralizadas que permitan su instalación el cualquier parte. En el presente artículo se presentan dos alternativas a los tratamientos convencionales donde se utiliza como energía la energía solar fotovoltaica. Entre las ventajas de usar energía fotovoltaica destaca: que es una energía no contaminante, es silenciosa, gratuita, abundante, renovable, descentralizada, inacabable y el coste de mantenimiento es asequible. La energía fotovoltaica produce una corriente eléctrica continua lo que la hace ideal para su aplicación en dos técnicas de tratamiento de agua la electrodiálisis y la electroxidación. Estos proyectos están siendo desarrollados, entre otros, por la Universidad de Alicante y la Universidad de Cantabria respectivamente de donde se ha obtenido la mayor parte de la información presentada en este artículo. 

La desalinización de agua salobre es un medio para obtener agua potable a bajo coste. La escasez de agua potable es uno de los mayores problemas en el Sudeste de España, especialmente en la costa mediterránea. En ciertas áreas, resulta esencial usar el agua de los acuíferos, la mayoría de ellos sobreexplotados y con contaminación salina (generalmente por su proximidad al mar) y/o contaminados con nitratos. Los niveles de contaminación se sitúan entre 2-6 g/l para NaCl y entre 80-500 mg/l para NO₃^–.

La electrodiálisis es una técnica basada en el transporte de iones a través de membranas selectivas bajo la influencia de un campo eléctrico. En una pila de electrodiálisis convencional, se sitúan alternativamente membranas de intercambio catiónico y aniónico entre el cátodo y el ánodo. Cuando se aplica una diferencia de potencial entre ambos electrodos, los cationes se mueven hacia el cátodo y los aniones hacia el ánodo. Los cationes migran a través de las membranas de intercambio catiónico (estas membranas permiten el paso a su través de cationes pero no de aniones) y son retenidos por las membranas de intercambio aniónico. Por otra parte, los aniones migran a través de las membranas de intercambio aniónico (membranas que permiten el paso a su través de aniones pero no de cationes) y son retenidos por las membranas de intercambio catiónico. Estos movimientos producen el aumento en la concentración de iones en algunos compartimentos (celda de concentración) y la disminución en los adyacentes (celda de dilución). La figura muestra el transporte de carga en un sistema de electrodiálisis convencional.

Clásicamente los módulos fotovoltaicos se conectan a baterías donde la energía producida es almacenada para ser utilizada cuando sea necesario. Conectando estos módulos directamente a la célula de electrodiálisis se reduce sustancialmente el coste de inversión en estos sistemas. La principal razón para la conexión directa a la célula de electrodiálisis es simple: en lugar de acumular energía eléctrica en las baterías para usarla más tarde, el agua tratada durante las horas de luz es almacenada en depósitos, ya que es más barato almacenar agua en tanques que acumular energía en un sistema de baterías.

Además, los sistemas de electrodiálisis son una alternativa a los actuales procesos de desalinización, tales como la ósmosis inversa del agua marina o la evaporación, ya que liberan al mar un flujo de agua cuya concentración salina es similar a la de éste, evitando así los problemas derivados del aumento salino localizado que sí se produce en las plantas de ósmosis inversa y que estropean el frágil ecosistema costero.

La electroxidación es una tecnología concebida para la oxidación de la materia orgánica disuelta en las aguas residuales. Como tecnología para el tratamiento de aguas, la electroxidación se enmarca dentro del grupo de los Procesos de Oxidación Avanzada (POA) por cuanto es posible generar radicales hidroxilos OH·bajo ciertas condiciones de operación y en ciertos electrodos. La electroxidación se considera como una alternativa medioambientalmente viable para el tratamiento de aguas residuales ya que se puede alcanzar la completa destrucción de la materia orgánica utilizando un reactivo limpio como es la electricidad, reduciendo la producción de lodos y evitando la utilización de compuestos químicos adicionales.

En los procesos de electroxidación, el efluente a tratar se hace circular por un reactor heterogéneo, entrando en contacto con ánodo y cátodo, en los que tienen lugar respectivamente, las reacciones de oxidación y reducción. La tecnología de electroxidación trata de hacer frente a aquellas situaciones en las que el efluente residual posee una baja capacidad de ser oxidado, haciendo inviable su tratamiento térmico o bien un bajo nivel de biodegradabilidad, para el que la opción biológica no es viable. Para valores de Demanda Química de Oxígeno por debajo 5.000 mgO₂·L^-1, la electroxidación es una alternativa interesante como POA.

Entre las debilidades de la tecnología cabe destacar los altos costes de inversión y esencialmente el elevado consumo de energía específico por unidad de volumen tratado. Este elevado consumo energético no solo impacta de forma notable al proceso en cuanto a rentabilidad económica, sino que lo hace fuertemente sobre la sostenibilidad ambiental del mismo.

Los valores de energía consumido son variables puesto que dependen de la conductividad del agua a tratar y el nivel de eliminación deseado de materia orgánica, es factible encontrar por tanto valores en el rango 10-1000 kWh·m^-3. Sin necesidad de operar en el valor máximo del rango anterior, queda claro que empleando energía de red y para efluentes degradables donde la electroxidación y los procesos biológicos son tecnológicamente viables, la electroxidación deja de ser económicamente competitiva puesto que el consumo neto de energía en un planta convencional de tratamiento de aguas residuales urbanas se encuentra en el orden de los 0,7 kWh·m^-3. La energía de origen solar fotovoltaico ha sido demostrada como una excelente opción para suministrar energía a los procesos electroquímicos en la línea de la integración de las energías renovables.

Al igual que ocurría en el caso de la electrodiálisis el acoplamiento directo del sistema de producción de energía fotovoltaica al sistema electroquímico evita la utilización de los costoso y pocos efectivos sistemas de almacenamiento de energía, es más efectivo almacenar agua  a tratar que la energía necesaria para su tratamiento y de otro lado el acoplamiento directo implica que el flujo que puede ser tratado es una función de la irradiación solar.

Ambos sistemas se plantean como una alternativa económica y medioambientalmente factible para el tratamiento de aguas residuales y la potabilización de aguas salobres.