Desalinización de aguas salobres alimentada por energía solar
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OTRI – Área de Relaciones con la Empresa
Universidad de Alicante
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ABSTRACT

El Departamento de Química-Física (grupo de Electroquímica aplicada y electrocatálisis) de la Universidad de Alicante se creó en el año 1983. Desde su creación, el objetivo de este grupo de investigación ha sido el desarrollo de procesos electroquímicos con aplicación industrial. Los más de veinte años de trabajo los han dotado de una amplia experiencia en diversos campos de Electroquímica Aplicada, entre ellos el desarrollo de nuevos acumuladores y baterías, síntesis y purificación de compuestos farmacéuticos y en el tratamiento de aguas residuales.

En consonancia con la cada vez más importante demanda social durante los últimos años, una de las líneas de investigación prioritarias del grupo es la Electroquímica medioambiental. Dentro de las posibilidades que la tecnología electroquímica ofrece en el tratamiento de aguas residuales, en el departamento se ha puesto especial énfasis en la desalinización de agua salada procedente de acuíferos para consumo humano o regadío mediante sistemas de electrodiálisis cuyo suministro eléctrico proviene de energía solar fotovoltaica.

Entre las ventajas del uso de la energía solar fotovoltaica cabe destacar: que no es contaminante, es silenciosa, gratuita, abundante, descentralizada, renovable, inacabable y tiene un bajo coste de mantenimiento debido al hecho de no incluir ni baterías acumuladoras ni reguladores o invertidores.

Estos sistemas son interesantes en áreas remotas con acceso a acuíferos salinos donde el suministro eléctrico es especialmente caro o inexistente, o en zonas costeras donde hay acuíferos salinos y los recursos hídricos son escasos.

Por tanto, el método de desalinización desarrollado por el grupo de Electroquímica aplicada y electrocatálisis del Departamento de Química-Física de la Universidad de Alicante es un proceso libre de emisiones de CO2 y, por consiguiente, un modo sostenible de producir agua potable para consumo humano respetuoso con el medioambiente, que no contribuye al cambio climático y con un impacto medioambiental mínimo.

TECHNICAL DESCRIPTION

La escasez de agua potable es uno de los mayores problemas en el Sudeste de España, especialmente en la costa mediterránea. Este problema empeora considerablemente en las áreas remotas, donde el suministro de agua y electricidad es especialmente caro o incluso inexistente. En estas 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 desalinización de agua salobre es un medio para obtener agua potable a bajo coste. El método de desalinización desarrollado está basado en un sistema de electrodiálisis conectado a paneles fotovoltaicos. 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 bajo debido a que no incluye ni baterías acumuladoras, ni reguladores o invertidores.

Un sistema de estas características sería especialmente útil en localizaciones aisladas con acceso a acuíferos salinos donde no es posible la conexión a la red eléctrica, además de aquellas zonas costeras con acuíferos salinos y escasos recursos hídricos.

La electrodiálisis es una técnica basada en el transporte de iones a través de membranas selectivas bajo la influencia de un campo eléctrico. Esta técnica ha probado su viabilidad en la desalinización de agua salobre, la desalinización de aminoácidos y otras disoluciones orgánicas, en el tratamiento de efluentes y/o en el reciclado de flujos de procesos industriales y en la producción de sal. 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 (que tienen grupos negativos fijados) y son retenidos por las membranas de intercambio aniónico. Por otra parte, los aniones migran a través de las membranas de intercambio aniónico (que tienen grupos positivos fijados) 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 2 muestra el transporte de carga en un sistema de electrodiálisis convencional para disoluciones de NaCl.

La conexión directa del electrodializador a los módulos fotovoltaicos reduce sustancialmente el coste de inversión en estos sistemas, debido al elevado coste de las baterías y los invertidores. La principal razón para la conexión directa al electrodializador 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 baterías1.

La tecnología de electrodiálisis pertenece a la tecnología electroquímica, que forma parte de la Química Verde, que actualmente se está desarrollando con el objetivo de diseñar métodos cada vez más respetuosos con el medioambiente2. 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 multiefecto, 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 costero3.

1 Generalmente, los sistemas de acumulación se usan cuando el requerimiento de energía eléctrica y la disponibilidad de horas solares no son simultáneas. Por ejemplo, una casa con un sistema solar fotovoltaico, donde el principal consumo eléctrico es durante la noche debido a las luces, la calefacción, etc. En este caso, el uso de baterías es inevitable.

2 La Química Verde se puede definir como un producto diseñado o procesos químicos que reducen o eliminan el uso y la generación de sustancias peligrosas y contribuye al desarrollo sostenible. El objetivo del desarrollo sostenible se alcanzará con las nuevas tecnologías, las cuales proveerán a la sociedad con los productos que necesitan pero de un modo respetuoso con el medioambiente.

3 El agua que es devuelta al mar (producida en plantas de ósmosis inversa), contiene aproximadamente dos veces la concentración del agua del mar (agua del mar=35 g/l de NaCl, agua de ósmosis inversa=70-75 g/l de NaCl).

El Departamento de Química Física (grupo de Electroquímica aplicada y electrocatálisis) de la Universidad de Alicante tiene una gran experiencia y conocimiento en el desarrollo y manejo de las aplicaciones de electrodiálisis. También tiene un laboratorio con las más modernas tecnologías de análisis para llevar a cabo experimentos a escala preindustrial, análisis de aguas y sustancias/contaminantes, también posee una planta piloto de 160 m2 en la Universidad de Alicante, preparada para llevar a cabo estudios de procesos a escala industrial. Además, la Universidad de Alicante tiene una planta solar fotovoltaica de reciente instalación (38.4 kW) ubicada en la zona norte de la Universidad, cerca de la planta piloto del grupo de Electroquímica aplicada y electrocatálisis. Esta planta solar fotovoltaica tiene 1000 paneles con un máximo de potencia de 38.4 W cada uno de ellos, y suministra energía eléctrica a las plantas piloto, que la usan con fines de investigación.

TECHNOLOGY ADVANTAGES AND INNOVATIVE ASPECTS

El sistema de desalinización usa energía renovable, respetuosa con el medioambiente, por tanto no contribuye al cambio climático.

El sistema de desalinización resulta útil en áreas remotas con acceso a acuíferos salinos donde el suministro eléctrico es especialmente caro o incluso inexistente, o para zonas costeras donde hay acuíferos salinos y los recursos hídricos son escasos.

PRINCIPALES VENTAJAS DE LA TECNOLOGÍA

El sistema de electrodiálisis alimentado con energía solar fotovoltaica es fiable, versátil y tiene un coste de mantenimiento bajo.

Entre las ventajas de usar energía solar fotovoltaica cabe destacar: que no es contaminante, es silenciosa, abundante, gratuita, renovable, descentralizada,inacabable y tiene un coste de mantenimiento bajo debido al hecho de no incluir ni baterías acumuladoras ni reguladores/invertidores.

El proceso de electrodiálisis es más competitivo que el proceso de ósmosis inversa para la desalinización de aguas salobres.

CURRENT STATE OF DEVELOPMENT

La tecnología desarrollada ha sido probada con éxito a escala laboratorio y en planta piloto.

Algunos datos técnicos de la instalación con los que trabaja el equipo de investigación son:

· Área de generación PV: 4 m2 (0.5 m2 por módulo PV, 8 módulos PV).

· Máximo de enegía PV: 272 kW (máximo de energía de 34.8 W por módulo PV).

· Producción: 1.32 m3/día de agua potable a partir de agua salobre (2000 ppm NaCl, Enero).

· Electrodializador: 4.4 m2 de área total de membrana, 550 cm2 área de la celda.

MARKET APPLICATIONS

·· La tecnología desarrollada puede ser interesante para empresas, organismos públicos y organizaciones que deseen solucionar problemas relacionados con el suministro de agua.

·· Empresas o instituciones interesadas en sacar provecho a los recursos hídricos que provienen de aguas salobres.

·· Compañías industriales o de ingeniería, gestión en el tratamiento de aguas residuales, compañías agroalimentarias, etc. podrían usar esta tecnología

COLLABORATION SOUGHT

El Departamento de Química Física está buscando:

· Socios dispuestos a introducir el sistema fotovoltaico · electrodiálisis en sus instalaciones.

· Departamentos de I+D+i de cualquier empresa interesados en llevar a cabo estudios de viabilidad en el uso, industrial o no, de esta tecnología.

INTELLECTUAL PROPERTY RIGHTS

Secreto protegido bajo know-how. El Departamento de Química-Física de la Universidad de Alicante tiene una gran experiencia y un profundo conocimiento en el campo de la electrodiálisis y la electroquímica aplicada.

RESEARCH GROUP PROFILE

PERFIL DEL DEPARTAMENTO DE QUÍMICA FÍSICA

El grupo de Electroquímica aplicada y electrocatálisis del Departamento de Química-Física de la Universidad de Alicante fue creado en 1983. Actualmente, cuenta con un catedrático, dos profesores titulares, tres profesores asociados, dos especialistas electroquímicos en planta piloto, un ingeniero electrónico y varios estudiantes pre y post-doctorales.

La investigación llevada a cabo por el grupo comprende: electrocatálisis y electroquímica aplicada (baterías, electrosíntesis orgánicas e inorgánicas y tratamientos electroquímicos de aguas).

El propósito de este grupo consiste en desarrollar procedimientos electroquímicos para satisfacer las necesidades de las industrias. De esta manera, la investigación en este campo abarca distintas áreas. El grupo ha trabajado en el desarrollo de baterías redox y han construido un acumulador 2 kW / 20 kWh basado en los pares Fe (III)/Fe (II) y Cr (III)/Cr (II).

Otro ámbito de investigación es la síntesis electroorgánica de compuestos de química fina y de productos farmacéuticos, además de la electroquímica aplicada al medioambiente. Resultado de nuestro trabajo en el ámbito farmacéutico, se han conseguido varias patentes para sintetizar derivados de L-cisteína y citiolona (una de ellas es una patente que se ha extendido a nivel mundial). Para llevar a cabo los procesos electroquímicos a escala industrial,se ha diseñado y construido una planta piloto electroquímica en la Universidad donde, en colaboración con una empresa española, ha sido posible sintetizar 14 toneladas de L-carboximetil-L-cisteína, un producto farmacéutico ampliamente utilizado. También se ha ejecutado un proyecto para recuperar plomo a partir de óxidos de plomo secundarios usados en baterías de plomo (proyecto BRITEEURAM).

En este proyecto el grupo se encargó del estudio y desarrollo del proceso catódico, de la deposición de plomo, del escalado pre-industrial, de la recuperación de NaCl mediante electrodiálisis y de la eliminación de plomo de aguas residuales por medios electroquímicos. El objetivo era demostrar la viabilidad del proceso a escala industrial. Actualmente, se está desarrollando un prototipo pre-industrial para el tratamiento electroquímico de aguas residuales para la industria textil.

Para hacer todo este trabajo, no sólo se ha adquirido un profundo conocimiento en Electroquímica (tanto básica como aplicada), sino también la habilidad para desarrollar diferentes tipos de electrodos (monocristal, DSA, electrodos de

difusión de gas, etc.), y de diferentes reactores electroquímicos. Todo ello ha contribuido a ampliar la experiencia en el desarrollo de procesos electroquímicos a escala pre-industrial.

MARKET APPLICATION (4)
Contaminación e Impacto Ambiental
Estudios Marinos
Recursos Hídricos
Tecnología Química

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