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Ingeniería Química

Agua sin sal

Un grupo estudia un nuevo sistema de desalinización con carbones activados obtenidos a partir de polímeros conductores

Instalaciones del sistema de purificación de agua salobre en la comunidad de Pedra Bonita, en Pé de Serra, estado de Bahía

Pedro Moraes/ GOVBA

Para extraer la sal del agua marina o de agua salobre de las napas subterráneas, la tecnología más utilizada en la actualidad es la ósmosis inversa. Se trata de un proceso de alto costo a causa del material que se emplea y del consumo de energía eléctrica: una bomba de alta presión fuerza el paso del agua a través de una membrana polimérica que retiene las sales. Un método alternativo de desalinización, que consume menos energía, consiste en el proceso de desionización capacitiva que apela al uso de carbones activados con poros nanométricos (1 nanómetro equivale a la millonésima parte de un milímetro) para extraer la sal del agua. Investigadores del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), en Brasil, desarrollaron carbones con características diferentes para su uso en esta aplicación. “Se trata de carbones similares a los que se usan en los filtros de agua comunes, pero con una cantidad y tamaño de sus poros que aportan un área elevada de retención de iones y moléculas”, explica el ingeniero químico Luís Augusto Martins Ruotolo, docente de la UFSCar.

Los carbones activados pueden elaborarse con diferentes materiales, tales como madera, bagazo de caña, cáscara de coco y polímeros. En el caso de este nuevo concepto ideado en la UFSCar, el carbón fue elaborado calentando a un polímero conductor de la electricidad, denominado polianilina, a 800 grados Celsius (ºC), en condiciones adecuadas para eliminar la materia orgánica volátil. El resultado fue un electrodo con abundancia de carbono. La innovación de los científicos de la UFSCar redundó en carbones activados más eficientes y con mejor capacidad de retención de moléculas o iones en la superficie. El ingeniero Ruotolo y el doctorando Rafael Linzmeyer Zornitta, que trabajan en el Laboratorio de Tecnologías Ambientales (Latea), insertaron dos de esos electrodos en una célula electroquímica compuesta por placas de acrílico y burletes de goma, colocándolos en lados opuestos dentro de la célula y separados por un canal por donde fluye el agua con sal (cloruro de sodio) que se necesita desalinizar.

Para posibilitar la desalinización, se aplicó en la célula electroquímica una tensión eléctrica de 1,2 voltios (V). Se trata de una tensión menor a la que transmite una pila común (del tipo AA), que es de 1,5 V. De esa manera, uno de los electrodos quedó polarizado con carga negativa y el otro con carga positiva. Con el ingreso del agua salobre en la célula, pasando entre los electrodos, los iones de sodio (Na+), que tienen carga positiva, resultan atraídos y retenidos en el electrodo negativo, y el cloruro (Cl-) se desplaza al polo positivo. Cuando los electrodos quedan saturados por esos elementos, basta con invertir la polaridad y el material adherido será repelido, pudiendo ser extraído de la célula mediante un proceso de retrolavado. En un futuro, los investigadores pretenden construir un prototipo que pueda operarse mediante un panel de energía solar.

Los carbones activados que absorben sales ya se encuentran disponibles en el mercado, pero no resultan adecuados para el proceso de desionización capacitiva porque poseen pequeñas áreas de retención de los iones de sal. Los carbones desarrollados en el Latea presentan una superficie de retención de elementos químicos seis veces mayor que los carbones del mercado. La invención derivó en una solicitud de patente que fue depositada en el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial (INPI) por la Agencia de Innovación de la UFSCar. La novedad también abarca otras posibilidades de uso para ese material, tales como el tratamiento de efluentes industriales y la extracción de otros tipos de sales del agua. “En una caldera que genera vapor, por ejemplo, el agua debe hallarse lo suficientemente limpia para que elementos tales como calcio, magnesio y hierro no generen incrustaciones en las tuberías”, dice Ruotolo. Para este estudio, él cuenta con la colaboración del Instituto Madrileño de Estudios Avanzados (IMDEA-Energía) y de la Universidad de Málaga, ambos en España, y de la Universidad de Wisconsin-Madison, en Estados Unidos.

Dima/Flickr Los dispositivos de la usina que utiliza el sistema de ósmosis inversa en Ascalón, Israel: 392 mil m3 de agua procesada por día, una cantidad que sirve para abastecer a un millón de personasDima/Flickr

Ventajas y desventajas
Una vez superada la primera fase del proyecto, el doctorando Linzmeyer se trasladó al Instituto Leibniz de Nuevos Materiales, en Alemania, donde integra un equipo liderado por el profesor Volker Presser, que desarrolla tecnología para la desionización capacitiva. Él se llevó en su equipaje carbones activados elaborados con lignina de caña de azúcar provista por el Laboratorio Nacional de Ciencia y Tecnología del Bioetanol (CTBE), de Campinas (São Paulo). La lignina es el componente que queda del bagazo luego del proceso de segunda generación en la elaboración del etanol. En Alemania, se la está usando para producir carbones activados para estudios sobre la desionización capacitiva. “Para los próximos años se espera un avance del etanol de segunda generación en Brasil, quedando en las usinas grandes cantidades de lignina”, dice Ruotolo.

La ventaja principal de la desionización capacitiva sobre la ósmosis inversa, que domina el mercado de la desalinización, es el bajo costo de operación, dado que utiliza menores presiones de agua y requiere bajos voltajes. Pero la desionización todavía no sirve para desalinizar el agua de mar. Esta tecnología no puede extraer un volumen de sal mayor a 10 gramos (g) por litro (l), y el agua de mar contiene 35 g/l. “Actualmente, la comunidad científica se encuentra abocada a la búsqueda de nuevos materiales o estrategias de operación tendientes a viabilizar la desalinización por desionización capacitiva del agua de mar”, comenta Ruotolo. Un proceso aún extenso y difícil de superar hoy en día porque en la ósmosis inversa la extracción de sal es tan perfecta que el agua resultante es agua destilada. Para tornarla potable se necesita agregarle pequeñas cantidades de sales minerales.

Si bien la tecnología debe aún perfeccionarse, la desionización capacitiva ya viene siendo utilizada a nivel comercial por una empresa holandesa, Voltea, que cuenta entre sus inversores a Unilever Ventures y al fondo británico de inversión en tecnologías ambientales Environmental Technologies Fund. La empresa vende desde 2009 sistemas de desalinización, aunque los mismos no resultan apropiados para el agua de mar. La tecnología  que emplea Voltea se basa en la aplicación de una tensión eléctrica entre dos electrodos de carbono poroso dispuestos en paralelo en una célula. Los electrodos de carbono se fabrican capa por capa, bajo la forma de delgadas películas cuyo espesor se encuentra en el rango de micrones. Estos dispositivos se dimensionan y posicionan según el volumen de agua que se pretende desalinizar. La tecnología de Voltea se utiliza para la desalinización del agua del grifo, para uso industrial y para el riego en la agricultura. Su gran ventaja es el bajo consumo de energía. Incluso con limitaciones, Voltea fue reconocida como una de las 21 Tecnologías Pioneras en 2013, en el marco del Foro Económico Mundial, y premiada en el Global Water Summit 2010.

La ampliación de las potencialidades de aplicación de la desionización capacitiva aún requiere desarrollo tecnológico, pero puede que sólo sea una cuestión de tiempo. “La aplicación comercial de la ósmosis inversa comenzó en 1965, pero recién en la década de 1980 comenzó a utilizársela de manera extensiva en la desalinización. Fue un proceso de maduración tecnológica, con nuevas soluciones que fueron surgiendo”, dice el ingeniero químico Emílio Gabbrielli, un italiano radicado en Brasil, que presidió la Asociación Internacional de Desalinización (IDA) hasta octubre de este año. Actualmente es el director de Desarrollo Global de Negocios del Sector de Aguas en Toray, una empresa japonesa que fabrica filtros y membranas para ósmosis inversa, entre otros productos. Él comenta que, al igual que la desionización, también existen otras tecnologías experimentales que, en algunos años, podrían sustituir, a menor costo, a la ósmosis inversa.

El ingeniero Gabbrielli estima que la cantidad de agua desalinizada en todo el mundo es de 100 millones de metros cúbicos (1 m3 son mil litros) por día, un equivalente a 20 veces el caudal promedio del río Támesis, que atraviesa la ciudad de Londres. Eso sucede en alrededor de 19 mil instalaciones de desalinización. Actualmente son entre 300 y 400 millones de personas las que utilizan agua desalinizada, principalmente en países tales como Israel, Arabia Saudita, Singapur, Australia y España. “Cada vez es mayor la tendencia al uso de energías renovables, tales como la solar y la eólica, para impulsar a los desalinizadores, y Australia y Arabia Saudita son líderes en cuanto a esa opción energética”. En cuanto al precio de este proceso, el expresidente de la IDA dice que el m3 de agua desalinizada cuesta entre sesenta centavos y un dólar y medio en las usinas de mayor capacidad, dependiendo de la región donde se la utilice. Comparativamente, el agua tratada o transportada por las compañías abastecedoras cuesta en Brasil entre diez y veinte centavos de real el metro cúbico, pero en muchos casos, donde se suma el costo del transporte por autopistas, ese costo podría estar cerca del costo de la desalinización.

Para Gabbrielli, la desalinización cobrará importancia en el país en un futuro cercano, porque las poblaciones necesitan un mayor volumen de agua y la misma será importante en los períodos de sequía. El ejecutivo prevé que un mayor conocimiento de las tecnologías y un mayor descenso del precio de los desalinizadores pueden hacer que las capitales brasileñas a orillas del mar adopten este proceso. “Pero la tecnología de ósmosis inversa también se aplica para el reaprovechamiento del agua. Imagino que dentro de 10 ó 20 años el agua reutilizada también servirá para el abastecimiento tradicional”, dice el ingeniero químico.

En Brasil, la mayor experiencia de desalinización se lleva a cabo en el semiárido del nordeste, a través de los programas gubernamentales Agua Buena (1998-2003) y Agua Dulce (2003-2010), del Ministerio de Medio Ambiente, que instalaron desalinizadores en las comunidades aisladas del semiárido. En esa región, el agua subterránea es salobre porque se encuentra en contacto con rocas cristalinas. Hoy en día, hay 3 mil desalinizadores que proveen agua a unas 200 mil personas.

Los dos programas gubernamentales fueron coordinados inicialmente por el ingeniero químico Kepler França, docente del Laboratorio de Referencia en desalinización (Labdes) de la Universidad Federal de Campina Grande (UFCG), en  el estado de Paraíba. Él también contribuyó para la implementación de desalinizadores en el archipiélago de Fernando de Noronha, que se instalaron en 1998. Allí, el sistema instalado provee el 40% del consumo de las islas. El resto proviene del agua de lluvia que se almacena en pozos y luego es tratada.

El próximo gran centro brasileño que contará con desalinización del agua de mar será Fortaleza, en el estado de Ceará. La Compañía de Agua y Desagües de Ceará (Cagece) emitió en 2017 un llamado para la selección de dos empresas que realizarán los estudios de la futura usina. Recientemente, se designó a las empresas españolas GS Inima y Acciona, las cuales entregarán el proyecto en un plazo de 150 días. El emprendimiento, que costará 500 millones de reales, está previsto para 2020 y su meta será la provisión del 12% del agua potable de la Región Metropolitana de Fortaleza.

Proyectos
1.
Desalinización por desionización capacitiva: Desarrollo de nuevos electrodos y optimización del proceso (nº 15/16107-4); Modalidad Apoyo a la Investigación – Regular; Investigador responsable Luís Augusto Martins Ruotolo (UFSCar); Inversión R$ 228.804,27
2. Desalinización por desionización capacitiva: Desarrollo de electrodos y optimización del proceso (nº 15/26593-3); Modalidad Beca de doctorado; Investigador responsable Luís Augusto Martins Ruotolo (UFSCar); Becario Rafael Linzmeyer Zornitta; Inversión R$ 41.033,51; R$ 102.303,70 (Beca para Pasantía de Investigación en el Exterior).

Artículo científico
Zornitta, R. L.; Ruotolo, A. M. Simultaneous analysis of electrosorption capacity and kinetics for CDI desalination using different electrode configurations. Chemical Engineering Journal. Online. 11 sept. 2017.

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