Grupo ICRATech (III): grafeno en el tratamiento de aguas

Imagen: Wikimedia

«Imagínate la posibilidad de disponer de un sistema de suministro de agua que dure casi eternamente, resistente al ensuciamiento bacteriano, a la corrosión, y con la posibilidad de detectar y degradar instantáneamente cualquier contaminante potencialmente peligroso. ¿Te imaginas que pudieses pintar las paredes de tu edificio con una pintura que produzca la energía requerida por tus electrodomésticos? ¿Y que el movimiento del agua de la lavadora permitiera generar la energía suficiente para desinfectar y tratar el efluente de manera que pueda reutilizarse para beber? ¿Cómo pueden generar y almacenar energía las tecnologías de tratamiento de agua? ¿Cómo se puede integrar los sensores de calidad del agua con la energía y el tratamiento para auto-regularse? Los materiales de grafeno pueden jugar muy pronto un papel clave para responder a estas preguntas«.

Jelena Radjenovic y Luis-Baptista Pires

El futuro siempre está en tus manos

¿Te imaginas que toda la vida has tenido el futuro en tus manos? Bien, Geim y Novosolev en 2004 aislaron por primera vez el grafeno del grafito utilizando una simple cinta adhesiva. El grafito es el material de las minas de los lápices que has estado utilizando toda tu vida. Ellos ganaron el Premio Nobel por aislar y caracterizar las propiedades electrónicas del grafeno. ¿Habrá un premio nobel escondido en tu bolígrafo? Quizás sí, pero antes vamos a ver qué es el grafeno, este material del que todo el mundo habla últimamente. El grafeno es una simple capa de átomos de carbono organizados en un patrón hexagonal de dos dimensiones. Más duro que el acero y con una gran flexibilidad, uno se lo puede imaginar como una hoja de papel con una estructura de átomos de carbono enlazados. Esto permite la rápida circulación de los electrones que no encuentran resistencia alguna. Sería como conducir por una autopista perfecta sin encontrarse otros coches u obstáculos por el camino… Ahora, si a esa autopista le añades unos árboles por todas partes (grupos funcionales de oxígeno) y algunos agujeros en el suelo (huecos/defectos) te encontrarás con el primo del grafeno, que se llama Óxido de Grafeno (OG). Al revés que el grafeno, el OG es un aislante una vez que presenta una gran resistencia a la circulación de electrones a través de su superficie.

Esta propia limitación del OG le permite ser suspendido en agua para formar tintas. De este modo se puede imprimir, pintar o recubrir con OG casi cualquier material. Resulta fácil de manipular, y es mucho más barato ya que se puede producir masivamente a partir del grafito natural mediante métodos químico o físicos. Y, lo que es más importante, el OG se puede transformar en un material conductor simplemente eliminando los grupos funcionales de oxígeno y reparando los agujeros de su estructura mediante distintos tratamientos (químicos o electroquímicos, entre otros). De este modo nuestra autopista se queda sin apenas árboles (algunos no se pueden eliminar) y, aunque no puedes conducir tan rápido como en la autopista de grafeno, por lo menos puedes circular. Estas propiedades dan paso a la producción de un nuevo material denominado Oxido de Grafeno Reducido (OGR). Este material, debido al arreglo de sus defectos y al preciso control del nivel de grupos funcionales, resulta muy reactivo a interacciones moleculares, es conductor eléctrico y térmico, y activo electroquímicamente. Ha permitido la producción de sensores flexibles y baratos, baterías (supercapacitores) que se pueden cargar y descargar muy rápidamente, mejorar la funcionalidad de células solares, y hasta ser utilizados en aplicaciones antibacterianas. Cabe remarcar que OGR puede ser utilizado como red de soporte y ser dopado con otros átomos como el boro, nitrógeno, azufre (entre otros, la familia del Grafeno no para de crecer) para formar otros materiales con aplicaciones específicas – la carretera se dopa con árboles de otras especies. Una vez que esta familia de materiales 2D con distintas estructuras atómicas y dopajes químicos pueden ser procesados como tintas, podemos construir fácilmente matrices estructurales en 3D y de este modo pasar de una escala nano a la micro y macroestructura. De estos nanomateriales se pueden producir espumas, esponjas o películas, de fácil manipulación para los humanos, pero con propiedades excepcionales debido a sus estructuras específicas nano/micro.

A modo de breve conclusión, los tres aspectos mencionados con anterioridad: 1) posibilidad de producir tintas; 2) posibilidad de dopar químicamente; 3) posibilidad de transformar la estructura intrínseca en dispositivos 3D micro o macro, abren la puerta a desarrollar infinitas configuraciones para aplicaciones específicas.

Imagen: Soumac

Materiales en base a grafeno para el tratamiento del agua

Tanto el OG como el OGR han sido ampliamente explorados para el tratamiento del agua y una de sus aplicaciones más estudiadas es para la producción de nuevas membranas de filtración. Membranas basadas en OG y OGR se han utilizado tanto para la separación por filtración en función del tamaño de las distintas moléculas como para la degradación electroquímica de contaminantes. El OGR, al igual que el OG, tiene propiedades antibacterianas y anti-ensuciamiento, y además puede llegar a evitar la corrosión y ser impermeable a ácidos en función de su microestructura. El OG suspendido en agua puede ser fácilmente filtrado sobre papel de filtro y utilizado como membrana donde los átomos de oxígeno introducen una distancia entre las capas atómicas de carbono. La distancia entre capas de carbono tan precisa puede ser diseñada para permitir pasar a algunas moléculas y retener otras en función de su tamaño; y por ello se han aplicado para la desalinización y la eliminación de contaminantes. Este material también se ha utilizado para controlar la permeabilidad del agua usando electricidad al colocarlo entre dos electrodos y controlar la carga eléctrica en el espacio entre las capas. Utilizando el mismo sistema de membranas con un electrodo de OGR, se pueden degradar electroquímicamente contaminantes cuando pasan a su través. De hecho, la electroquímica es un tema puntero de investigación en el campo del agua porque ofrece un amplio abanico de ventajas respecto a otras tecnologías existentes. Por ejemplo, el único reactivo que utilizan los sistemas electroquímicos son los propios electrones y son capaces de degradar los compuestos más persistentes, como las sustancias poli y perfluoralquilos. Las espumas en base OGR u otras macroestructuras que pueden ser dopadas o no, son candidatos ideales para la degradación electroquímica de contaminantes persistentes en agua. Debido a los grupos funcionales y su estructura desordenada añadido a la estructura 3D con una enorme área superficial, las espumas de OGR poseen puntos catalíticos adicionales que promueven la degradación de contaminantes persistentes, la (electro)sorción y eliminación de metales pesados, y la muerte de bacterias. Las espumas de OGR también pueden ser diseñadas para ser altamente hidrofóbicas, y entonces se aplican para la adsorción y eliminación de aceites del agua.

Las membranas, espumas, esponjas, dopadas o no, basadas en tecnología de OG u OGR mencionadas con anterioridad pueden cambiar el concepto de tratamiento del agua, la reutilización y el suministro, teniendo en cuenta su versatilidad, capacidad infinita de adoptar distintas formas, y facilidad de manejo. OG y OGR son los materiales base más versátiles para la síntesis de coberturas, compositos, y arquitecturas 3D. Con unas expectativas de expansión significativa del mercado para el grafeno en 5-10 años, resulta razonable asumir que la producción a larga escala del OG se expandirá, rebajando costes y convirtiéndolo en una opción todavía más viable económicamente para el tratamiento del agua.

Detalle de la red de una membrana de grafeno. Fuente: Flickr

Superar el reto de la escasez del agua y la contaminación en la gestión de los recursos hídricos requiere una apuesta pionera por las tecnologías más avanzadas de tratamiento del agua. La opción de llevar a cabo una gestión más localizada del ciclo del agua y la introducción de sistemas distribuidos de tratamiento está cada vez más reconocida frente al sistema convencional de tratamiento centralizado al final del colector que se implementó a partir de mediados del siglo XIX. La aplicación de sistemas descentralizados de tratamiento y reutilización como la recogida de aguas pluviales, o la separación, tratamiento y reutilización de aguas grises, representan una oportunidad para adaptarse mejor a la escasez de agua, la precipitación impredecible, y otras consecuencias del cambio climático. Tecnologías inteligentes y de bajo coste como las membranas, espumas y esponjas basadas en OG y OGR, con o sin aplicación de corriente, pueden facilitar un uso seguro y sostenible de los recursos hídricos, disminuyendo nuestra dependencia de las redes centralizadas de agua y energía, y minimizando el impacto ambiental de nuestro consumo de agua.

¿Y ahora qué futuro nos espera?

Además de las aplicaciones basadas en agua, los materiales basados en grafeno han sido foco de atención en el campo de los supercapacitores, los paneles solares, la captación y almacenamiento de energía y los actuadores (materiales que cambian la forma dependiendo del medio). Los sensores basados en OGR, con una impresión personalizada en base a la estructura propuesta o la realidad ambiental, pueden determinar simultáneamente presión, movimiento, humedad, temperatura, cambios en pH, y presencia de bacterias, parámetros vitales para la monitorización del tratamiento de aguas y aguas residuales en los sistemas de distribución. La monitorización y los sistemas de tratamiento en general necesitan estar conectados a una fuente de energía, hecho que le da otra ventaja significativa al OGR: puede producir pequeñas cantidades de energía debido al movimiento del agua, el gradiente de humedad y la presión, o puede aumentar la eficiencia de las tecnologías de energía renovable. La energía producida puede ser almacenada en supercapacitores de carga/descarga rápida, para encender aparatos que dependan de la energía como los sensores o las redes de transmisión de señal. Energía, sensorización, y tratamiento de agua añadido a las propiedades mecánicas de los materiales basados en grafeno como la flexibilidad y la fuerza, abren la puerta a su incorporación en sistemas y locales de difícil implementación/acceso. Los dispositivos multi-tarea auto-alimentados basados en grafeno para la monitorización ambiental y el tratamiento de agua y aguas residuales, supondrán un gran paso adelante y pueden jugar un papel ganador en la lenta pero a su vez inevitable transición hacia un mundo más sostenible. La Industria en el campo del agua en general ha estado menos predispuesta a cambios disruptivos, por o que la investigación académica emergente y las empresas spin-off afrontan una larga travesía para llegar al mercado y sustituir las tecnologías existentes. Sin embargo, la facilidad para la integración y disponer de distintas funcionalidades en un único dispositivo pueden ser factores determinantes para traducir esta investigación en aplicaciones de nuestro día a día y un complemento a las soluciones actuales. Con la evolución de las Tecnologías de la Información, 5G y la inteligencia artificial, la monitorización en línea y en tiempo real permitirá evitar problemas como las pérdidas en las tuberías o la detección de compuestos tóxicos vertidos a una red de distribución de agua o hasta la variación de virus/bacterias en corrientes de aguas. Juntándolo todo, uno se puede imaginar la monitorización y tratamiento avanzado y descentralizado de agua utilizando sistemas modulares que son versátiles, pudiendo tratar y detectar, al mismo tiempo que son eficientes e independientes de la energía. En general, la posibilidad de aplicar estos sistemas en distintos contextos mundiales y con distintos puntos de vista, tanto para gente con un elevado nivel de vida como para comunidades rurales de difícil acceso, supondrá un progreso para la accesibilidad al agua y a la reutilización.

Detalle de espuma de grafeno. Fuente: Nature

Aunque todavía hay mucho campo por investigar para alcanzar una mayor generación de energía a través de los dispositivos de grafeno, y un menor consumo de los sistemas electroquímicos de tratamiento de agua utilizando estructuras electrocatalíticas más eficientes, la combinación de estas propiedades con la habilidad ilimitada de darle forma, pintar o hacer patrones de estas estructuras en arquitecturas futurísticas, supondrán un gran impacto en la manera de considerar el tratamiento del agua. Diseño, Arquitectura y Ciencia, de la mano de la imaginación y creatividad de la Sociedad para rediseñar como utilizamos el tratamiento del agua a nivel individual con plataformas personalizadas eficientes desde un punto de vista energético, supone el objetivo a alcanzar. Suministrando herramientas a la sociedad, y permitiendo a la gente que sea el ingeniero de su propio sistema de tratamiento del agua, cambiará nuestra percepción del recurso y nos permitirá hacer frente a alguno de los mayores retos relacionados con el impacto ambiental de la gestión y tratamiento del agua, haciendo del nuestro un mundo más sostenible. ¿jugará el grafeno un papel clave en este juego para cambiar el futuro? No lo podemos asegurar, pero preguntas y respuestas emergerán de las infinitas posibilidades que ponemos encima de la mesa..

¿Te imaginas que puedes imprimir tu propio sistema de tratamiento del agua? Ya puedes empezar a hacerlo…

Artículo escrito por Jelena Radjenovic y Luis Baptista-Pires

RECONOCIMIENTOS:

  • Los autores quieren agradecer el apoyo del Departament d’Economia i Coneixement del Gobierno catalán a través del Grupo de Investigación Consolidado (ICRA-TECNOLOGÍA – 2017 SGR 1318).

Desi Esclapez: «el gemelo digital es una tecnología revolucionaria»

Desi Esclapez – Depuración de Aguas del Mediterráneo

Hablamos con Desi Esclapez, Gestora de Innovación de DAM-Aguas, sobre el gemelo digital o Digital Twin, una herramienta tecnológica con mucho potencial para la toma de decisiones en tiempo real en infraestructuras, entre ellas las depuradoras. Concretamente esta tecnología se ha probado en la EDAR de Alzira liderada por GAIA y la participación de DAM, el Catalan Water Partnership, INNOVAE y SASTESA, dando muy buenos resultados hasta el momento.

Más INFO:

Grupo ICRATech (II): reutilización de aguas con fines potables

Porque no nos deberíamos olvidar de la posibilidad de reutilizar agua para fines potables*

La economía circular, la estrategia de las 3R (reducción, reutilización, reciclado) y la industria 4.0 – estos son los axiomas que tanto les gusta proclamar actualmente a los políticos y a los líderes empresariales. Sin embargo, es importante destacar que la reutilización del agua es una realidad desde mucho antes que estos eslóganes se hayan hecho populares, y de hecho implementa todos los principios de la economía circular. 

La aceptación de la reutilización del agua para uso potable – o reutilización potable, derivado de la terminología anglosajona – ha aumentado considerablemente estos últimos años como una práctica que, correctamente gestionada, puede ser implementada de un modo seguro. En este breve artículo queremos revisar como los ejemplos aplicados recientemente a gran escala en todo el mundo, las iniciativas industriales y los avances científicos, muestran que la reutilización potable es una alternativa interesante a considerar en el portafolio de las actuaciones existentes para combatir la escasez del agua.

Diferencias conceptuales entre reutilización potable de facto, indirecta y directa. Imagen: Eden et al (2016), Potable reuse of water: A view from Arizona
https://wrrc.arizona.edu/sites/wrrc.arizona.edu/files/July-2016-IMPACT-Potable-AZ.pdf

Los beneficios obvios

Hay una serie de beneficios que no dejan lugar a duda cuando se debate sobre la reutilización de agua. Entre ellos, se reduce la cantidad de agua que se extrae y la que se vierte en el ciclo natural del agua. Esto puede ser beneficioso para mantener los caudales y la calidad aguas abajo de las grandes ciudades en cuencas que sufren problemas de escasez. También disminuye la presión aguas arriba sustituyendo parte de la extracción necesaria para abastecer la población. Al contrario que con otras fuentes alternativas de agua como la de escorrentía de lluvia (de suelos o de tejados), el efluente de una Estación Depuradora de Aguas Residuales (EDAR) tiene una menor variabilidad de cantidad y calidad, lo que supone una gran ventaja en la planificación y diseño de las infraestructuras. Finalmente, la reutilización potable requiere una demanda energética por metro cúbico de agua producido del orden de entre una tercera y cuarta parte respecto al consumo energético de la desalinización de agua de mar, otra fuente alternativa de recursos hídricos en zonas costeras.

Cabe destacar también que críticos de la reutilización potable argumentan que es mejor centrarse en la reutilización para riego en la agricultura. Lo cierto es que estas zonas que demandan un uso intensivo del agua suelen estar lejos del punto donde se genera el agua regenerada en las grandes ciudades, por lo que los costes de construcción de las infraestructuras necesarias para transportar el agua, unidos al requerimiento energético del bombeo, penalizan el interés económico de dicha opción cuando el sector agrícola se centra en productos con un limitado retorno de la inversión.

¿Es seguro?

Los ciudadanos se preguntan, con razón, si es seguro beber agua regenerada. Por otro lado, los políticos y responsables de la toma de decisiones, aunque acepten la viabilidad técnica y el poco riesgo para la salud pública, pueden tener dudas comprensibles respecto a la aceptación pública general y a su capacidad de generar confianza entre la población respecto al concepto de beber agua regenerada.

El primer comentario al respecto es que si estamos dispuestos a mirar lo suficientemente lejos, como por ejemplo a los Estados Unidos, Singapur, o Australia, podemos confirmar con toda confianza que se ha acumulado una gran cantidad de evidencias y experiencia a gran escala en aplicaciones de esquemas de tratamiento de aguas residuales para reutilización potable. Desde el punto de vista de calidad y seguridad del agua servida, estas instalaciones han estado suministrando agua en continuo de una gran calidad, en algunos casos desde décadas. De hecho, la ciencia ha demostrado repetidamente que la reutilización potable planificada en la que se aplican esquemas de tratamiento avanzado suministra un agua de mayor calidad que la práctica habitual de muchas Estaciones de Tratamiento de Aguas Potables (ETAP) convencionales que captan el agua superficial de un rio aguas abajo de una gran ciudad que ha vertido sus aguas residuales tratadas. Este esquema, conocido con el nombre de reutilización de facto para potabilización, es habitual en la mayoría de los ríos europeos como el Rin, el Támesis, o el Danubio o también localmente en el Río Llobregat por dar algunos ejemplos. 

Desarrollo en reutilización de aguas

Vamos a estudiar con mayor profundidad las herramientas disponibles para asegurar la reutilización segura para potabilización directa y los avances realizados durante estas últimas décadas.

Para empezar, varias tecnologías utilizadas en los esquemas de tratamiento como la ósmosis inversa o la oxidación avanzada han alcanzado un elevadísimo grado de madurez. Dichos avances han penetrado en el sector del agua a través de todo el proceso de producción, tanto en los procesos de ensamblaje de los módulos de membranas de ósmosis inversa, como en los protocolos de mantenimiento empleados en las estaciones de tratamiento avanzado de aguas residuales. Así mismo, nuestro conocimiento de las tecnologías más convencionales como la ozonización, la adsorción en carbón activo o el simple uso de reactivos químicos para la desinfección, también ha aumentado considerablemente durante estos últimos años. Al mismo tiempo, vemos en un horizonte cercano la irrupción de tecnologías innovadoras como los sistemas integrados de membranas con nuevos materiales, nuevos procesos de oxidación avanzada, o las tecnologías de tratamiento electroquímicos, que pronto se incluirán en el amplio repertorio de herramientas disponibles para potenciar la reutilización de agua.

Nuestro conocimiento respecto a los contaminantes y a la química del agua también ha aumentado. Ya cada vez se producen menos sorpresas desagradables de compuestos que se creían que eran benignos y posteriormente se identificó su potencial peligro, como por ejemplo pasó con las sustancias perfluorinadas. Estos ejemplos nos han puesto sobre aviso, y demuestran la necesidad de permanecer alerta sobre la amenaza potencial de cualquier compuesto desconocido, aunque es indudable el progreso llevado a cabo en estos últimos años.

En la actualidad, se han desarrollado y popularizado potentes métodos numéricos de computación que, entre otras aplicaciones, permiten generar de un modo más rápido y económico datos simulados que reproducen el comportamiento experimental. Existe una amplia variabilidad de aplicaciones de estos métodos computacionales, de los cuales tan solo unos pocos de describen a continuación: un ejemplo sería el establecimiento de relaciones cuantitativas entre la estructura y la actividad (QSAR) para simular y predecir el comportamiento de contaminantes conocidos y desconocidos basados en propiedades moleculares, reales o inventadas, en procesos de tratamiento que permiten cubrir cualquier eventualidad posible. El desarrollo de procesos asistidos con diseño de fluidos computacional facilita el diseño del tratamiento biológico de aguas residuales o los fotorreactores que aplican radiación ultravioleta para la destrucción de contaminantes, entre otros. También podemos simular largas series de datos de operación de años de una instalación de tratamiento para evaluar el impacto de fallos estocásticos de equipos u otros accidentes mediante simulaciones de Monte Carlo en el riesgo de calidad del agua. El aprendizaje automático para aprender de experiencias en la operación de procesos empieza a ser una realidad en la industria en general, y también en el sector de la reutilización de agua. 

A modo de resumen, sabemos que un tren de tratamiento avanzado, correctamente diseñado y operado, es capaz de controlar adecuadamente el riesgo de calidad del agua. También existe buenas guías de gestión del riesgo, basada en el método de Evaluación de Riesgos y Puntos Críticos de Control (Hazard Assessment and Critical Control Point, HACCP), desarrollado inicialmente en la industria alimentaria. Específicamente, la industria del agua ha puesto especial énfasis en la identificación y desarrollo de sensores que garantizan el correcto funcionamiento de las barreras individuales en los trenes de tratamiento, necesario para la implementación del concepto de control de puntos críticos.

El éxito de los casos de estudio disponibles a nivel internacional no se debería analizar solamente desde un punto de vista técnico de la calidad del agua. Estos casos también nos enseñan como se puede comunicar efectivamente a los ciudadanos, cual es el papel que juega la educación, y muchos otros aspectos relevantes para su aceptación social. De hecho, también podemos aprender de esos casos en que los proyectos de reutilización potable no fueron implementados debido a la oposición ejercida por los ciudadanos, al poco compromiso político, o a otras razones de mayor complejidad.

Volviendo finalmente a la cuestión sobre la seguridad de la reutilización potable: no estamos diciendo “despreocúpate o relájate” – tan solo estamos evidenciando que se dispone de multitud de herramientas que nos pueden hacer sentir más confiados, y que el riesgo de fallo o accidente es muy bajo si estas herramientas se utilizan de un modo eficiente y consciente. 

¿Es eficiente? ¿Y viable económicamente?

Entonces, si has leído hasta este punto, probablemente te estés preguntando la siguiente cuestión fundamental: ¿Cuánto cuesta y cuál es la eficiencia de la potabilización directa del agua?

Déjanos responder de un modo evasivo en primer lugar haciéndote un par de preguntas: ¿Cuál sería un precio justo para el agua potable? ¿Estás dispuesto a gastar más dinero para pagar la factura de tu teléfono móvil o para disponer de agua corriente potable de máxima calidad en tu grifo a todas horas? 

Membranas de Osmosis Inversa del sistema de inyección al subsuelo de agua regenerada de Orange County, California, USA.https://www.ocwd.com/gwrs/the-process/

Respondiendo de un modo más directo a la pregunta, es evidente que el coste y el requerimiento energético para potabilizar este recurso hídrico alternativo (el agua residual) es significativamente mayor que el necesario para potabilizar agua superficial prístina. Pero entonces, de nuevo, comparado con otras fuentes alternativas de agua que a veces parecen más factibles, como el agua de lluvia, la confianza es mayor y el coste puede ser inferior. El sistema de tratamiento avanzado más completo, que incluye prefiltración con membranas de baja presión, filtración de ósmosis inversa, y posterior oxidación o por lo menos desinfección puede ser operado con un requerimiento energético menor a 1 kWh/m3. Existen otros trenes de tratamiento, de menor coste energético, que incluyen ozono y biofiltración, cuyo estadio de desarrollo parece indicar que serán adecuados y sostenibles para la potabilización directa segura. En cualquier caso, la potabilización directa requiere menor energía que la desalación del agua de mar, ETAPs que requieren bombeo y distribución del agua producida a grandes distancias, y que muchos sistemas descentralizados, cuya desfavorable economía de escala suele implicar grandes consumos energéticos debido a la baja eficiencia de los pequeños equipos. Además, el régimen de operación en discontinuo de los sistemas descentralizados suele afectar negativamente en los costes de inversión respecto a los sistemas centralizados bien planificados que operan en un régimen en continuo 7/24.

¿Hay otros beneficios?

Hasta el momento hemos hablado ampliamente de los aparentes beneficios sobre la cantidad del recurso hídrico, sobre la calidad y la seguridad, y un poco sobre costes y consumos energéticos. Pero, quizás, aunque más escondidos e indirectos, pueden existir otros beneficios y oportunidades.

En el siglo XXI y en el contexto de la economía circular, solemos proclamar la transición de nuestras EDAR convencionales en fábricas de recuperación de recursos. Tradicionalmente, la operación del tratamiento de aguas residuales se ha centrado en la oportunidad para recuperar energía a través de generar metano en procesos anaeróbicos además de nutrientes a través de precipitación de estruvita u otras tecnologías. Al mismo tiempo la eliminación de nutrientes puede ayudar a la operación de muchas tecnologías avanzadas de tratamiento de aguas (por ejemplo, en el control del ensuciamiento por fosfato cálcico en la filtración por ósmosis inversa). Parece pues que existen oportunidades para desarrollar sinergias entre la recuperación de los nutrientes y del agua. Del mismo modo, se puede pensar como la recuperación de la energía se conecta con la recuperación de nutrientes y agua. Y ¿Quién sabe? Quizás en el futuro la recuperación de metales del agua residual será viable y económicamente rentable, especialmente del rechazo de la ósmosis inversa y de otras corrientes concentradas.

Finalmente, las EDARs siempre han sido considerados como una fuente de contaminación antropogénica en el ciclo natural del agua, aportando nutrientes y otros compuestos químicos orgánicos e inorgánicos. Actualmente, que nos regimos por el principio reconocido de que el contamina paga (tal y como dictamina la Directiva Marco del Agua), los beneficios de la reutilización del agua pueden proporcionar una gran oportunidad para disminuir el impacto y la presión ambiental de las grandes ciudades. Especialmente, una de las principales amenazas de la descarga del agua residual tratada se relaciona con la propagación de los genes de resistencia a los antibióticos. En este contexto, el tratamiento avanzado de los efluentes secundarios puede convertirse en un requerimiento, más que en una simple opción.

Agua residual, efluente de salida de EDAR y agua purificada ya apta para su reutilización. Fuente: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=45828357

El papel de la ciencia

Como nota final, nos gustaría proponer una lista de tareas a las que podemos contribuir como científicos, sin la pretensión de que la lista sea exhaustiva ni completa.

En primer lugar, pese a la disponibilidad de diversas operaciones unitarias suficientemente maduras, no deberíamos cesar el desarrollo de nuevas tecnologías y estrategias de tratamiento. Esto incluye la integración de soluciones de tratamientos basados en la naturaleza y control de contaminación en el origen.

En el contexto de un ciclo urbano del agua cada vez más complejo que conecta sistemas centralizados y descentralizados para optimizar su rendimiento desde un punto de vista económico, social y ambiental, necesitaremos soluciones para disponer de distintos tipos y calidades del agua. Tal y como se ha comentado con anterioridad, debemos contribuir explorando y desarrollando soluciones creativas y sinergias potenciales en un ciclo del agua con múltiples conexiones que se rijan por los paradigmas de la economía circular. 

En segundo lugar, todavía existen cuestiones no resueltas por lo que respecta al impacto de la descarga del agua residual y las oportunidades de tratamiento avanzadas para mitigar dichos efectos y potenciar, a su vez, los beneficios de la reutilización. Algunas de estas dudas están relacionadas con las principales amenazas del siglo XXI, como la resistencia a los antibióticos.

Finalmente, por lo que respecta a la comunicación y difusión de las soluciones para la sociedad, debemos implicarnos en el debate generado y actuar como embajadores del conocimiento.

En el Instituto Catalán de Investigación del Agua (ICRA) disponemos de expertos relacionados con muchos de los aspectos de la reutilización potable; ingenieros que trabajan en tecnologías de tratamiento, químicos que analizan los riesgos relacionados con los contaminantes emergentes y los subproductos de desinfección, y microbiólogos que investigan los mecanismos de transferencia de los genes de la resistencia a los antibióticos. Como científicos que somos, estamos comprometidos con el desarrollo positivo de la sociedad, y, por ello, mantenemos las puertas abiertas para hablar y discutir con todos ustedes respecto a este tema y a otros relacionados con el agua.

*Documento escrito por Wolfgang Gernjak con la colaboración de Joaquim Comas, Ignasi Rodríguez-Roda y María José Farré, investigadores del grupo ICRAtech en el Institut Català de Recerca de l’Aigua (ICRA).

RECONOCIMIENTOS:

  • Los autores quieren agradecer el apoyo del Departament d’Economia i Coneixement del Gobierno catalán a través del Grupo de Investigación Consolidado (ICRA-TECNOLOGÍA – 2017 SGR 1318).

CODA

Este artículo sirve de introducción al próximo Workshop organizado por el ICRA sobre Reutilización de aguas con fines potables que tendrá lugar el próximo 4 de octubre de 2019 de las 10h a las 15h. + INFO AQUÍ.

Ruth Canicio:»Este 2019 estamos en plena expansión de nuestra tecnología»

Entrevista a Ruth Canicio, CEO de la empresa Hydrokémos, sobre depuración de aguas residuales industriales mediante electrooxidación, su tecnología propuesta para tratar aguas con elevada carga orgánica y altas concentraciones de amonio.

Forward Osmosis (II): Proceso

Fuente: TECNOAQUA

En el proceso de Forward Osmosis (FO) o también llamada Ósmosis Directa se utiliza el gradiente de presión osmótica entre una solución muy concentrada (extractora o draw solution) y otra más diluida (de alimentación o feed solution) para conseguir la difusión del agua desde un lado a otro de la membrana semipermeable que las separa. En definitiva, la diferencia de potencial químico es la que hace funcionar este proceso en vez de la diferencia de presión física que actúa en la ósmosis inversa.

Fuente: TECNOAQUA

Aunque ya hace años que se escribe sobre la ósmosis directa, no ha sido hasta este siglo XXI donde esta tecnología ha pasado del laboratorio a ser una realidad palpable. Su interés ha ido creciendo de forma significativa desde 2005 hasta 2012, año en el cual se puso en marcha la primera planta desalinizadora de FO del mundo, en Omán (200 m3/día).

Por otro lado, las posibles ventajas de su aplicación en el tratamiento de aguas complejas sobre las tecnologías actuales serían:

  • Debido a la ausencia de las altas presiones hidráulicas que sí existen en la OI, el gasto energético es mucho menor y los materiales usados no necesitan ser tan resistentes.
  • Mayor flexibilidad y aplicabilidad debido a la baja propensión al fouling así como una mayor facilidad de limpieza derivada de ésta.
  • Se puede usar como tecnología extractora de agua, muy útil para una posterior digestión anaerobia de aguas residuales convencionales.
  • Puede tratar aguas mucho más salinas (con una presión superior a 80 bar) que la OI .

La FO puede diseñarse para tratar un amplio grupo de aguas complejas como por ejemplo las de la industria téxtil, las aguas provenientes de la producción de petróleo y gas, las ricas en nutrientes o los lixiviados de vertedero, pasando por las aguas residuales de la industria nuclear. 

Proceso

Para que el proceso se lleve a cabo, es vital la existencia de la membrana semipermeable. Ésta se instala en un módulo o celda de filtración que permite la entrada y salida tanto de la solución extractora como de la de alimentación. Las celdas suelen tener una configuración de tipo sandwich y la circulación de las soluciones se produce a contracorriente.

Fuente: TECNOAQUA

La cuantificación del agua que atraviesa la membrana se lleva acabo mediante una balanza donde, a medida que avanza el proceso de ósmosis directa, la solución extractora va aumentando de peso. De forma inversa, la solución de alimentación va disminuyendo el suyo paulatinamente.

A pequeña escala el proceso se opera en modo discontínuo y circuito cerrado, donde poco a poco la solución extractora se va diluyendo y la de alimentación concentrando. En mayores dimensiones esta tecnología funciona en contínuo, por lo que la regeneración de la solución extractora se convierte en un factor crítico para una operación óptima del proceso.

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