Desionización Capacitiva: Prometedor Rediseño de la Tecnología de Desalinización

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Aunque conocida desde hace décadas, la desalinización capacitiva o desionización capacitiva, no ha tenido una amplia aplicación a nivel mundial, sin embargo en forma reciente se informó acerca de un rediseño del proceso — creado por investigadores de la Universidad de Stanford y por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore – que presenta grandes avances respecto al método convencional.

Se informa que el nuevo método es de cuatro a diez veces más rápido que la desalinización capacitiva tradicional y reduce la concentración de sal de tres a cuatro veces. También es energéticamente más eficiente, funciona a presiones más bajas y no requiere ningún componente de membranas como en el caso de la osmosis inversa.

En lugar de que el agua que ingresa fluya entre los electrodos, el sistema rediseñado alimenta el agua a través de los poros de los electrodos. El método es llamado sistema CD de flujo a través de electrodos. “Aunque este diseño fue investigado en los años 70, el material del electrodo y su pequeño tamaño de poro dieron como resultado un bajo rendimiento, y desde ese momento casi no hubo investigación adicional al respecto”, señalaron los investigadores.

El sistema también utiliza un nuevo material de electrodo llamado monolitos jerárquicos de aerogel de carbono en lugar de aerogel de carbono. El material poroso de carbono elimina las limitaciones asociadas normalmente a la desionización capacitiva convencional. También presenta una menor separación entre electrodos para aumentar aún más el rendimiento del sistema. Todo el proceso puede ejecutarse en sólo el tiempo necesario para cargar los electrodos — unos pocos minutos o menos, aunque también se puede optimizar la velocidad del sistema.

La desionización capacitiva fue inicialmente promocionada como “la primera nueva tecnología de desalinización en más de 50 años”. Originalmente desarrollada en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, la investigación tecnológica de desionización capacitiva se intensificó a mediados de la década de 1960 y, a partir de 1998, se encontraba todavía a nivel de laboratorio y no había sido utilizada de modo masivo.

De acuerdo al Laboratorio de Tecnología Nacional de la Energía de los Estados Unidos (NETL):

La desionización capacitiva está basada en un proceso electroestático operando a bajos voltajes y presiones. El agua producida es bombeada a través de un conjunto de electrodos. Los iones del agua son atraídos hacia los electrodos cargados en forma opuesta. Esto concentra los iones en los electrodos, mientras reduce la concentración de iones del agua. El agua en forma limpia pasa a través de la unidad.

Una vez que se alcanzó la capacidad de los electrodos, el flujo de agua se detiene y se invierte la polaridad de los electrodos, permitiendo a los iones alejarse de los mismos. Hay una solución concentrada de salmuera que permanece en el agua limpia. Esta salmuera es purgada desde la unidad y se debe considerar su disposición final.

El Laboratorio Nacional de Tecnología de la Energía afirma que la desionización capacitiva es más rentable que otras tecnologías de desalinización comparables tales como la osmosis inversa y es ideal para tratar agua no altamente salina o utilizada para agua de bebida. Ellos citan diversos estudios, que incluyen el tratamiento de aguas de metano de lechos de carbón.

En una reseña de las tecnologías realizada en el año 2005, y publicada en la revista Desalination  (PDF), T.J. Welgemoed y C.F. Schutte de la Universidad de Pretoria explican que la tecnología tiene “el potencial para ser una ‘herramienta fundamental’ en la perspectiva de la desalinización del futuro”.

Se informa que la tecnología es competidora de la Inversión de Electrodiálisis, otro tipo de proceso electroquímico que se ha venido utilizando desde la década de 1960.

Los investigadores de la Universidad Stanford y del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore construyeron un sistema prototipo para probar que fuera capaz de eliminar la sal de un agua con una salinidad de 250 mM a 1,25 V y a una tasa de 0,96 mg de NaCl por gramo de electrodo por minuto. Normalmente, la tasa está entre 0,1 y 0,25. Además puede también reducir la concentración de sal hasta un valor de 70 mM por carga.

Matthew Suss, el autor líder del estudio afirma:

Esto se ve traducido en una reducción de costos de infraestructura para el sistema de electrodos. El flujo a través de la geometría tiene también una eficiencia energética mayor que el flujo tradicional – entre geometrías, dado que asegura que se utiliza toda el agua desalinizada del sistema. En los sistemas anteriores, solo se utilizaba el agua desalinizada en el separador, pero no la de los electrodos, y por lo tanto la energía utilizada para desalinizar el agua en los poros del electrodo estaba en gran medida desperdiciada. Finalmente, el menor tamaño del espaciador reduce la resistencia total del dispositivo, lo que hace disminuir aún más los costos de la energía.

Michael Stadermann, investigador principal del LLNL, declaró que:

El FTE CD es capaz de desalinizar casi todas las concentraciones de agua de salmuera en un solo paso. En algunas regiones del mundo, incluyendo a América del Norte, el agua salobre será la fuente principal de agua para los procesos de desalinización con el objeto de obtener agua potable. El agua salobre también es el rango de concentración más común de los efluentes derivados de procesos industriales, tales como la producción de metano de lechos de carbón – el tratamiento de esta agua es fundamental para una adecuada reducción práctica del desecho. Además, el FTE CD funciona mucho mejor con corrientes de alta salinidad que el CD normal, y rinde más lográndose una desalinización multifásica energéticamente eficiente, que nos permite abordar mediante este método la potabilización del agua de mar.

Maarten Biesheuvel, un investigador CDI con sede en Wetsus, el Centro de los Países Bajos para la Excelencia de la Tecnología Sustentable del Agua, también hizo declaraciones respecto a la mencionada tecnología: “Resulta interesante ver cómo en aproximadamente cinco años el interés por la tecnología CD ha explotado en todo el mundo, habiéndose ubicado como la tecnología líder respecto a las más establecidas como son la osmosis inversa y la electrodiálisis.”

Ambos trabajos de los grupos de investigación serán publicados en Energy & Environmental Science.