¿Es Posible Desalinizar Aguas de Desecho Usando Residuos de Biomasa?

Demostramos en nuestro laboratorio que tubos de carbón fabricados a partir de residuos de biomasa de la cosecha de caña de azúcar pueden funcionar como contactores de membranas electroactivos para recuperar agua limpia de salmueras.

A través del calentamiento directo de los tubos por efecto Joule, el agua presente en la interfase se evapora y simultáneamente se transporta radialmente hacia el interior de los tubos, reteniendo el NaCl cristalizado en un proceso conocido como destilación por membrana con calentamiento directo. Estos contactores de membrana basados en carbón renovable resultan de interés tecnológico para el tratamiento de aguas de uso industrial y domestico debido a su geometría tubular, su facilidad para el escalamiento y el uso de materias primas económicas y con alta disponibilidad. Mayores detalles de sus propiedades y funcionamiento pueden encontrarse en el artículo recientemente publicado en la revista Industrial & Engineering Chemistry Research, ACS titulado “Scalable and Renewable Electromembrane Contactors for Freshwater Recovery through Membrane Distillation” (https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c05003) cuyos autores son Dr. José Trejo Gonzalez quien fue becario posdoctoral en INQUINOA, Ing. Emilse Araoz, actualmente Becaria doctoral, Ing. Juan P. Herrera, profesional de apoyo y Dr. Adolfo Avila, investigador independiente. Todos pertenecientes a INQUINOA.

Existe una fuerte demanda en el uso racional del agua debido a la transición existente hacia una economía circular que implica un manejo y provisión del agua en forma segura y sustentable para la población, la industria y el medio ambiente. Desde diciembre de 2020 el agua comenzó a comercializarse en el mercado de commodities de Wall Street, alcanzando valores que oscilan alrededor de ~400 USD por 1000 metros cúbicos. Por lo tanto, resulta imprescindible trabajar en desarrollos que puedan recuperar agua de diversas aguas residuales, efluentes líquidos o aguas contaminadas. De tal manera que nos planteamos como hipótesis de trabajo si era posible desalinizar salmueras usando materiales en base a residuos de biomasa de alta disponibilidad en nuestra región.

Se realizó el diseño experimental y los contactores de membrana fueron evaluados con solución de NaCl de ~10 y ~100 g/L demostrando una producción de agua entre ~2 a ~7 kg/m2 h y una reducción en solidos disueltos del 99.4%. Una de las ventajas de estos tubos es que son renovables ya que se obtienen de materias primas provenientes de residuos de la agricultura. También son fácilmente escalables lo que permite pensar en prototipos con buenas chances para aplicaciones tecnológicas. La conductividad térmica del material es relativamente baja lo cual resulta de interés desde el punto de vista de la eficiencia térmica del proceso. También son compatibles para el aprovechamiento de la radiación solar como fuente de calentamiento lo cual permitiría mejorar la ecuación energética. La producción de agua limpia puede ser optimizada en función de un trabajo de diseño del prototipo más adecuado y las variables operativas para el trabajo continuo.

Autotérmicos por efecto Joule: Una ventaja importante de los elementos tubulares de bio-carbón es que son aptos para un proceso de calentamiento directo. Los elementos tubulares de bio-carbón tienen propiedades conductoras de electricidad con lo cual el calentamiento de los tubos puede realizarse mediante efecto Joule.
Material robusto: Es un material con alta potencialidad para la resistencia y tolerancia a fuentes de aguas salinas y corrosivas.
Prevención de formación de películas biológicas: Las propiedades conductoras de los tubos de bio-carbón permite aplicar un potencial eléctrico y así evitar la formación de ensuciamiento biológico, un problema critico en las tareas de mantenimiento de membranas de osmosis inversa.
Costo: es un material con disponibilidad en abundancia en la región generado a través del reciclado de biomasa, en particular de los residuos agrícolas de cosecha. Es un material que puede obtener ventajas comparativas en la relación de compromiso costo/efectividad frente a materiales con procesos de síntesis y de manufactura más complejos.
Elementos tubulares auto-soportados: En base a su proceso de manufactura, los tubos de bio-carbón están constituidos en todo su volumen por una masa porosa de carbón y no requieren ser soportados sobre otros materiales para su uso. Su geometría tubular es una ventaja para su aplicación en procesos continuos, compactos y de alta intensificación.
Facilidad de escalado: la manufactura de los elementos tubulares de bio-carbón es un proceso relativamente simple el cual puede ser convertido desde escala laboratorio a escala banco, piloto o industrial sin mayores inconvenientes.
Ventajes adicionales como membrana electroactiva: el hecho de ser una membrana electroactiva puede ofrecer ventajas adicionales en términos de la alta densidad de carga existente en la interfase membrana/solución acuosa. Por ejemplo, degradar contaminantes orgánicos e inorgánicos, generar movilidad de iones o cambios locales de pH. Todo esto lleva al desarrollo de membranas con respuestas controladas con mayor versatilidad de tratamientos de líquidos.

Se planea trabajar en el mejor diseño de un prototipo experimental de banco que permita optimizar tanto el consumo de energía como la producción de agua en términos de las variables como caudales, voltajes y frecuencias, y el largo y espesor de los contactores.

Contacto: Dr. Adolfo Avila, aavila@herrera.unt.edu.ar