Desalinización sostenible: electroquímica microbiana para obtener agua potable con bajo coste energético

Autores: Dr. Juan Manuel Ortiz, Belén Barroeta, Dr. Abraham Esteve-Núñez. IMDEA Agua

La escasez de agua es el desafío más acuciante para el desarrollo socioeconómico y humano, situación que en muchos países se ve agravada a causa del cambio climático, sobre todo en zonas áridas y semiáridas con falta de recursos hídricos. La UNESCO estima que alrededor de 2.200 millones de personas viven sin acceso a agua potable limpia y segura, y las previsiones apuntan que para 2050 un cuarto de la población mundial podría vivir en áreas con escasez de agua durante al menos un mes al año. 

Un modo de paliar la escasez hídrica es recurrir a las tecnologías de desalinización, ampliamente utilizadas para obtener agua dulce en muchas partes del mundo. Las innovaciones tecnológicas en las últimas décadas han dado como resultado una reducción significativa en los costes de energía asociados a las tecnologías de desalación. Sin embargo, las tecnologías actuales (basadas tanto en membranas como en procesos térmicos) siguen teniendo un alto coste energético. La energía teórica mínima requerida para separar las sales del agua de mar para producir agua dulce es de 0.706 kWh/m³. En la práctica, la demanda energética para la desalinización de agua es de alrededor de 3.5 kWh/m³ para los procesos de ósmosis inversa (OI) [1], y en el caso de los procesos térmicos, este consumo energético pueden ser aún mayor (del orden de 5.5–40 kWh/m³ para destilación flash multietapa y destilación multiefecto), lo que limita su uso solo en áreas o países con acceso a combustibles baratos.

Tecnologías de desalinización y emisiones de CO2 

La capacidad instalada de los sistemas de desalinización de agua en el año 2019 era de alrededor de 100 millones de metros cúbicos al día de agua desalada [2] , y se espera que esta cifra crezca en las próximas décadas. Este dramático incremento en la producción de agua desalinizada creará una serie de problemas, entre ellos, el consumo de energía y la contaminación causada por el uso de combustibles fósiles para obtenerla. La actual preocupación por los problemas medioambientales, las emisiones y el nivel de CO₂ en la atmósfera, y los problemas económicos a nivel global derivados de la escasez y de la localización de las reservas de petróleo mundiales, avivan el debate sobre la viabilidad real de la obtención de agua desalinizada mediante estas tecnologías.

Las tecnologías de desalinización de agua de mar encontraron su primera ubicación en Oriente Medio, en zonas áridas y con escasez de recursos hídricos, pero sin restricciones de energía (combustibles fósiles) y, por consiguiente, con altos ingresos obtenidos por la venta de petróleo. Paradójicamente, en un contexto donde la energía es barata, el agua posee un valor incalculable, por lo que no es de extrañar que las tecnologías de desalinización encontraran un buen lugar para implantarse y desarrollarse. 

Sin embargo, existen otras áreas del planeta donde las poblaciones no cuentan ni con los recursos económicos, ni con los yacimientos de petróleo que les permitan un desarrollo como los anteriores, y no pueden permitirse la obtención de agua potable mediante estas tecnologías. Por este motivo, la investigación en tecnologías de desalinización se está concentrando en la última década en resolver los puntos clave que permitan extender su uso y lograr la obtención de agua potable en regiones con limitados recursos económicos, como por ejemplo, reducir el coste económico de los sistemas de desalinización. 

Si bien es cierto que el agua de consumo humano representa uno de los principales problemas relacionados con la escasez de agua, es importante indicar que el uso del agua en agricultura y la industria representa aproximadamente el 70 % del uso de agua dulce en áreas o países industrializados, pudiendo llegar al 90 %. Por esta razón, la disponibilidad de recursos hídricos está estrechamente relacionada con el crecimiento económico y los procesos productivos.  

Biotecnología para desalinización sostenible

En los últimos años se han propuesto nuevos conceptos de desalinización sostenible como, por ejemplo, la integración de sistemas de desalinización con energías renovable (fotovoltaica o térmica); nuevas tecnologías de membranas para su uso en procesos de ósmosis directa (FO); la mejora en los pre y post-tratamientos; la recuperación de energía por gradiente salino; el reciclaje de membranas [referencia], y los sistemas de desionización capacitiva para eliminación de contaminantes inorgánicos, entre otros. 

A la búsqueda de un nuevo paradigma para la obtención de agua potable con bajo coste y con nulas emisiones de CO₂, la biotecnología ha irrumpido en la última década en el ámbito de la desalinización para proporcionar soluciones al problema de la escasez de agua. Entre las propuestas se encuentra la biodesalinización, que emplea cianobacterias [3] o microrganismos halófilos [4]. No obstante, la biodesalinización sostenible se encuentran en sus etapas iniciales a escala laboratorio, y la producción de agua es escasa todavía para pensar en una aplicación real. 

Sin embargo, hay que destacar el interés que ha suscitado en el ámbito científico el concepto de las celdas de desalinización microbiana (en inglés, Microbial Deslination Cells), inicialmente propuesto por Cao et al. en 2009 [5], y que supone la hibridación de celdas microbianas de combustibles con electromembranas. Esta tecnología permite la obtención de agua empleando la energía contenida en efluentes con contenido de materia orgánica (por ejemplo, aguas residuales), y es objeto de investigación y desarrollo en los últimos 10 años.

Electroquímica microbiana y tecnología de membranas

La unidad MDC está compuesta por al menos tres cámaras (ver figura 1): 1) una cámara anódica anaeróbica que contiene la comunidad microbiana electroactiva que primero oxida la materia orgánica (combustible) contenida en las aguas residuales y luego transfiere electrones al ánodo; 2) un compartimento central de desalación separado de los demás por una membrana de intercambio aniónico (AEM) y una membrana de intercambio catiónico (CEM); 3) una cámara catódica donde se produce la reacción complementaria de reducción (por ejemplo, reducción de oxígeno). Debido al campo eléctrico que se establece en el dispositivo, los aniones y cationes del compartimento salino migran a través de las respectivas membranas, disminuyendo la concentración de sal en el compartimento salino (compartimento central). Así, la celda de desalinización microbiana constituye un proceso sostenible que no requiere aporte de energía externa para realizar el proceso de desalinización (más allá del aporte de agua residual). 

En cuanto al desempeño de estos sistemas, los principales condicionamientos vienen dados por el potencial eléctrico limitado para impulsar la migración de iones y la retrodifusión de sales entre el compartimento anódico/catódico al salino. Por ello, la investigación sobre estos sistemas se centra en aumentar la capacidad de producción y escalar la tecnología para poder realizar su demostración en ambientes reales.

Sostenibilidad

El Grupo Bioe de IMDEA Agua centra su actividad en el desarrollo de tecnologías electroquímicas microbianas desde hace una década, para dar soluciones a los actuales retos y desafíos en el sector del agua tanto urbana como industrial. En este contexto, el proyecto BIODES ha podido abordar el estudio de celdas de desalinización microbiana a escala laboratorio, con el objetivo de conocer sus principales ventajas y limitaciones. Además, la participación de IMDEA Agua en el proyecto H2020 MIDES http://midesh2020.eu/, coordinado por Aqualia, ha permitido explorar el escalado de la tecnología hasta su fase de implantación a escala planta piloto, además de la concesión de la patente del proceso (EP3336064A, Method of desalination and wastewater treatment in a microbial desalination cell reactor). 

La tecnología desarrollada en el proyecto MIDES se evaluará en dos ubicaciones geográficas diferentes con condiciones bioclimáticas y usos de agua distintos, de forma que se cubra el posible espectro de utilización de la tecnología en cuanto a aguas a tratar, usos de las corrientes producto y lugares de implantación. 

Además, MIDES ha sido reconocido por la iniciativa EU Innovation Radar como una innovación de alto potencial (https://www.innoradar.eu/resultbykeyword/MIDES). El propósito de este reconocimiento es ayudar a que las innovaciones financiadas por la UE accedan de forma rápida a la fase comercial.

Agradecimientos

Juan M. Ortiz agradece el apoyo económico de la Agencia Estatal de Investigación (AEI) y el Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER) (Proyecto BioDES, CTM2015-74695-JIN). El proyecto “MIDES - H2020” ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (Nº 685793). 

Referencias

1. MacHarg, J. P., Seacord, T. F., and Sessions, B., ADC baseline tests reveal trends in membrane performance, Desalin. Water Reuse 18 (2008) 1–9. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.608.2998&rep=r…
2. “IDA Water Security Handbook, 2018-2019”. Ed. GWI/IDA/Water Desalination Report, 2019.
3. J.M. Amezaga, A. Amtmann, C. A. Biggs, T. Bond, C.J. Gandy, A. Honsbein, E. Karunakaran, L. Lawton, M. A. Madsen, K. Minas, M. R. Templeton, Biodesalination: A Case Study for Applications of Photosynthetic Bacteria in Water Treatment, Plant Physiology 164 (2014) 1661-1676 (DOI: 10.1104/pp.113.233973)
4. E. Sahle-Demessie, A. Hassan, A. Badawy. Bio-desalination of brackish and seawater using halophytic algae. Desalination, 465 (2019) 104-113. https://doi.org/10.1016/j.desal.2019.05.002
5. Cao, X., Huang, X., Liang, P., Xiao, K., Zhou, Y., Zhang, X., et al. (2009). A new method for water desalination using microbial desalination cells. Environ. Sci. Technol. 43, 7148–7152. doi: 10.1021/es901950j

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