Universitat d'Alacant

Con el objetivo de reducir los problemas mencionados anteriormente, se han desarrollado otros métodos alternativos, entre los que destaca el método de regeneración electroquímica.

La regeneración electroquímica se caracteriza por su alto rendimiento en la regeneración, por su menor consumo energético, por el bajo coste del tratamiento, por ser amigable con el medioambiente, y por su versatilidad para regenerar otros materiales adsorbentes (zeolitas, etc.).

En este sentido, se ha desarrollado un reactor industrial para la regeneración electroquímica de carbón activado agotado, que comprende dos posibles configuraciones: con electrodos cilíndricos concéntricos y con electrodos planos paralelos, ambos electrodos separados por una membrana iónica. En cada compartimento se coloca un electrodo, que puede actuar de ánodo o cátodo según la necesidad del proceso. El electrolito necesario para llevar a cabo la regeneración electroquímica tiene su entrada en la parte inferior, y la salida en la parte superior de cada compartimento.

Actualmente, todos los estudios de regeneración electroquímica se han llevado a cabo a escala de laboratorio empleando reactores electroquímicos de uso común, y los prototipos desarrollados a escala planta piloto sólo permiten regenerar un máximo de 6 kg de carbón activado saturado con una disolución de dos contaminantes en condiciones muy controladas.

A nivel industrial, sólo se ha desarrollado una tecnología que permite la adsorción de los contaminantes en NyexTM y la destrucción electroquímica dentro de un único reactor.

La falta de estudios realizados con carbones activos agotados en situaciones reales, la escala de laboratorio utilizada en el diseño, y la ausencia de procesos de escalado industrial, hacen que en estos momentos, cualquier método de recuperación alternativo a la regeneración térmica carezca de aplicación industrial viable.

Con el objetivo de superar las limitaciones anteriormente descritas, se ha desarrollado un reactor en planta piloto que permite la regeneración electroquímica de carbón activado saturado -parcial o totalmente- de contaminantes orgánicos e inorgánicos.

Este reactor permite dos posibles configuraciones:

a) Con electrodos cilíndricos concéntricos (véase Figura 1):

Figura 1: vista esquemática -frontal y superior, respectivamente- del reactor electroquímico en configuración de electrodos cilíndricos concéntricos.

b) Con electrodos planos paralelos (véase Figura 2):

Figura 2: vista esquemática –en perspectiva y superior, respectivamente- del reactor electroquímico en configuración de electrodos planos paralelos.

El reactor electroquímico comprende dos compartimentos (1,2) separados por una membrana de intercambio de iones (5), cada uno con un electrodo (3, 4) y conectados a dos circuitos independientes de recirculación de electrolito desde sendos tanques (6,7) de electrolito, una entrada superior (12) del carbón activado a regenerar desde un depósito o tolva (13), y una salida inferior (14) del carbón activado regenerado.

Como electrodos (3,4) puede utilizarse acero inoxidable, titanio platinizado (Pt/Ti), óxido de rutenio (RuO₂/Ti) y óxido de iridio (IrO₂/Ti), entre otros. En general, el acero inoxidable se utilizará cuando el electrodo vaya a funcionar como cátodo.

En ambos casos (a y b), el reactor electroquímico está formado por los mismos elementos (sólo varía la configuración estructural). La principal diferencia es la forma de los compartimentos: en la configuración plana paralela (b), ambos compartimentos (1,2) son prismáticos rectangulares, y el primer electrodo (3) se dispone en la pared intermedia. La membrana de intercambio de iones (5) puede estar en un sector intermedio que no forma parte de ninguno de los compartimentos (1,2).

En el procedimiento para regenerar electroquímicamente el carbón activado agotado se han de tener en cuenta las siguientes variables:

• El tipo de electrolito: ácido, básico o neutro.

• La concentración del electrolito.

• El tipo de regeneración: anódica o catódica.

• El caudal de trabajo.

• La densidad de corriente.

• El tiempo de residencia.

VENTAJAS DE LA TECNOLOGÍA

La regeneración electroquímica de carbón activado agotado se caracteriza porque presenta las siguientes ventajas respecto a los actuales métodos:

1) Uno de los reactivos utilizados son los electrones, por lo que puede ser fácilmente suministrado mediante una fuente de corriente continua.

2) El proceso se puede interrumpir de manera inmediata.

3) Puede aplicarse en las mismas instalaciones en las que se encuentra el material a regenerar (in-situ).

4) Tiene una alta selectividad.

5) Se emiten menores emisiones de dióxido de carbono (CO₂).

6) Tiene un menor consumo energético que la regeneración térmica.

ASPECTOS INNOVADORES DE LA TECNOLOGÍA

A diferencia de los actuales métodos de regeneración, este novedoso reactor electroquímico permite recuperar cualquier tipo de carbón activado usado en diferentes sectores industriales -tratamiento de aguas, gases, farma, etc.- a nivel planta piloto e industrial en condiciones reales.

Es, por tanto, el único método disponible en el mercado que permite regenerar in-situ carbones activados agotados en la escala de 10-15 kg, pudiendo ser escalados fácilmente a 100 kg como mínimo.

Se han ensayado diferentes condiciones de tratamiento en el reactor electroquímico -en ambas configuraciones y con electrodos de distinta naturaleza química- donde se han optimizado las variables de regeneración de carbón activado granular agotado procedente de plantas potabilizadoras de agua.

En todos los casos, se ha conseguido una eficiencia en la regeneración electroquímica entre el 90-100% en menos de 3 horas (véase Figura 3), con unos consumos energéticos del proceso comprendidos entre 0,035-0,061 kWh/kg, es decir, entre 10-15 veces inferiores a los actuales 0,53 kWh/kg de la regeneración térmica.

Figura 3: gráfica de las isotermas de adsorción-desorción de nitrógeno a -196ºC de un experimento de regeneración electroquímica de carbón activado agotado. Los símbolos representan: (rombo hueco con línea continua) es el carbón activado original, (rombo relleno con línea discontinua) es el carbón activado agotado, (círculo relleno con línea discontinua) es el carbón activado tomado en la primera hora de tratamiento, (triángulo hueco con línea discontinua) es el carbón activado tomado en la segunda hora de tratamiento y (cuadrado relleno con línea de puntos) es el carbón activado tomado en la tercera hora de tratamiento.

Este novedoso reactor electroquímico puede ser utilizado en la misma instalación donde se produce la aplicación del carbón activado (in-situ), o puede ser transportado a otro lugar (ex-situ).

Existen dos prototipos a escala planta piloto (TRL=6) disponibles para su demostración (véanse Fotografías 1 y 2).

También se han construido dos prototipos industriales (TRL=7) que permiten la regeneración electroquímica de carbón activado agotado en lotes de 100 kg.

Fotografía 1: vista frontal del reactor electroquímico en la configuración de electrodos planos paralelos con una capacidad de tratamiento de 15kg.






Fotografía 2: vista frontal del reactor electroquímico en la configuración de electrodos cilíndricos concéntricos con una capacidad de tratamiento de 10kg.

Esta tecnología permite la regeneración electroquímica de carbón activado agotado por diferentes industrias, entre las que se encuentran, entre otras:

• Tratamiento de aguas residuales y potabilizadoras de agua.

• Tratamiento de gases de combustión.

• Purificación de gases y líquidos.

• Recuperación de metales.

• Producción de alimentos y bebidas.

• Sector farmacéutico.

• Industria química.

• Síntesis de catalizadores.

Se buscan empresas interesadas en adquirir esta tecnología para su explotación comercial mediante acuerdos de licencia de la patente.

Perfil de empresa buscado: Regeneración de carbón activado agotado.

La presente invención se encuentra protegida mediante solicitud de patente:

• Título de la patente: “Reactor electroquímico para la regeneración electroquímica de carbón activado”.

• Número de solicitud: P202030510.

• Fecha de solicitud: 1 de junio de 2020.