Retos de los tratamientos de aguas del Siglo XXI: La Desionización Capacitiva

Las tecnologías emergentes de tratamiento de aguas del siglo XXI deben afrontar numerosos e importantes retos. La piedra angular de éstos consiste en la produccion de agua de buena calidad mediante procesos eficientes desde el punto de vista energético y económico. En este sentido, la desionización capacitiva, gracias a su capacidad para almacenar energía al mismo tiempo que reduce la concentración de sales del influente, resulta especialmente atractiva y se postula como una alternativa real a los procesos de desalación existentes. En esta línea, el Instituto Imdea Agua junto con Imdea Energía y la Universidad de Wisconsin han explorado el potencial de esta tecnología como tratamiento para reducir la dureza de las aguas.

[Julio José Lado Garrido. IMDEA Agua]

Estudios dedicados a evaluar la disponibilidad de recursos en diferentes áreas del planeta auguran que los problemas asociados con la escasez de agua, la sequía y la contaminación de los recursos hídricos cobrarán mayor relevancia en las próximas decadas [1]. Estos problemas surgirán, según algunas fuentes, incluso en regiones que actualmente se consideran ricas, en lo que se refiere a recursos hídricos [2]. Si a esto añadimos que, actualmente, 1.2 billones de personas no tienen acceso a agua potable, 2.6 billones no tienen acceso a redes de saneamiento y millones de personas mueren anualmente, entre ellas 3900 niños al día, debido a enfermedades contraídas por el consumo de agua contaminada o a la falta de redes de saneamiento, la búsqueda de soluciones se convierte en un reto de una escala considerable [3]. Diferentes actuaciones y tratamientos están siendo desarrollados con el fin de mejorar tanto la disponibilidad de recursos hídricos como la calidad de de los mismos. Entre ellas, podemos incluir la implementación de herramientas de gestión como los analisis de agua virtual [4] o huella hídrica [5]; las políticas incentivadoras dedicadas a promover el uso responsable de los recursos [6] o la búsqueda y desarrollo de tecnologías de tratamiento de agua donde se ahonde en la sostenibilidad y en la eficiencia energética [7]. En estos últimos años, este último aspecto ha alcanzado una gran relevancia dentro de la comunidad científica, desarrollándose numerosos estudios englobados dentro de lo que se ha denominado el “Nexo Agua-Energía” [8].

De acuerdo con las necesidades anteriormente planteadas, investigaciones recientes han dedicado amplios esfuerzos al estudio de nuevos materiales (zeolitas, nanotubos de carbonos, derivados del grafeno… [9]) aplicables a tecnologías emergentes en tratamientos de agua como la ósmosis directa [10], la desalación mediante celdas microbianas [11], o la desionización capacitiva (CDI) [12].

La Desionización Capacitiva, una tecnología emergente.

Figura 1. Esquema del proceso de Desionización Capacitiva (CDI). Imagen modificada a partir de Anderson et al. (2010)[12].

La desionización capacitiva se presenta como una tecnología capaz de eliminar los iones presentes en el agua mediante la aplicación de una diferencia de potencial o una corriente constante entre dos electrodos inmersos en una disolución a tratar. Cuando el proceso de eliminación ha concluido, los electrodos, parcial o totalmente saturados por los iones adsorbidos, son regenerados cortocircuitando la celda o aplicando un voltaje de signo contrario al aplicado en la etapa inicial [13]. De esta forma, los iones previamente adsorbidos sufren un proceso de desorción siendo arrastrados mediante el uso una disolución lavado. Una de los aspectos más atractivos de esta tecnología consiste en que el proceso de eliminación y regeneración resulta similar a las etapas de carga/descarga de los condensadores electroquímicos de doble capa. Así pues, la desionización capacitiva es capaz de reducir la concentración de sales de una disolución y almacenar energía de forma simultánea en la fase de eliminación [14]. La energía almacenada es fácilmente liberada mediante la descarga del reactor de desionización en la fase de regeneración de los electrodos permitiendo, tal y como ha sido recientemente probado por investigadores de la Universidad de Oviedo [15], operar los sistemas de CDI de forma paralela. Este modo de operación consiste en que, una vez llevada a cabo la etapa de eliminación en uno de los reactores, la energía almacenada es utilizada para llevar a cabo la fase de desionización de una segunda celda. Al proceder de esta manera, se podría reducir considerablemente el consumo de energía del proceso haciéndolo competitivo frente a las tecnologías de desalación existentes. En esta dirección, han sido publicados diferentes estudios en los que colaboran los institutos IMDEA de la Comunidad de Madrid (Imdea Agua y Energía) donde se ha mostrado, por un lado, la forma de evaluar la potencial recuperación de energía, y por otro, las variables electroquímicas que influyen en los procesos de carga y descarga del reactor en condiciones reales [14, 16].

Fig 2. Número de artículos publicados (A) y citaciones (B) en el área de la desionización capacitiva en los últimos 8 años.

Aplicaciones de la CDI

Entre las aplicaciones sobre las que se han realizado estudios de investigación cabe citar: la desalación de aguas salobres [17] y de mar (menos estudiada) [18], el ablandamiento de agua [19], la producción de agua ultrapura [20], la eliminación de contaminantes específicos como, metales pesados [21], nitratos [22] o boro [23], o la recuperación de agua a partir de las salmueras producidas en plantas de ósmosis inversa (RO) [24]. Dentro de estas aplicaciones, el tratamiento de aguas salobres (concentraciones salina < 5 g/L), es probablemente la aplicación que más interés haya atraído. En este sentido investigadores holandeses demostraron recientemente la viabilidad del uso de CDI frente a la RO en términos energéticos cuando la concentración de sales es menor de 3 g/L [25]. Otra de las potenciales áreas de aplicación de la CDI consiste en la reducción de la concentración de calcio y magnesio en aguas (“water softening”). Aguas con altas concentraciones de estos iones (junto con hierro y manganeso en menor concentración) pueden conducir a serios problemas de depósitos o incrustaciones (scaling), especialmente en procesos realizados a elevada de temperatura, como intercambiadores de calor o calderas de alta presión [26]. Centrados en este problemática, el grupo del ECT Program de la Universidad de Wisconsin junto con investigadores de Imdea Agua e Imdea Energía han publicado distintos trabajos [27-29] en los que se emplearon celdas asimétricas de CDI (electrodos de carbón recubiertos con distintos óxidos metálicos). Mediante estas celdas fue evaluado el efecto de distintos parámetros como la concentración de entrada o el voltaje aplicado en aspectos como la capacidad de electroadsorción, los mecanismos de adsorción, las cinéticas del proceso o la aparición de posibles reacciones faradaicas (oxidación del carbón, reacciones redox relacionadas con los cloruros…). Los trabajos realizados probaron el potencial de la aplicación de la tecnología de CDI empleando celdas asimétricas como método para reducir la dureza del agua desde niveles de “agua muy dura”  (>180 CaCO₃ mg/L) hasta niveles de “agua blanda” (< 60 CaCO₃ mg/L) (Fig. 3). A las buenas prestaciones de la CDI podemos añadir otras ventajas como el hecho de operar a baja presión, en contraste con la RO, el coste relativamente bajo de los electrodos (generalmente materiales carbonáceos) comparados con las membranas, la ventaja de que no sea necesario añadir ningún otro tipo de compuestos químicos durante el tratamiento o la capacidad de emplear el voltaje como forma de modificar la composición del caudal de salida. Todas estas ventajas junto a la versatilidad de esta tecnología convierten a la desionización capacitiva en un serio aspirante a competir con otras tecnologías en el mundo de la desalación y el ablandamiento de aguas.

Fig 3. Reducción de la dureza de disoluciones con distintas concentraciones iniciales mediante el uso de celdas asimétricas CDI. Las cifras situadas en la parte superior de las columnas representan el índice de eliminación para cada grupo de experimentos.

Referencias

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