Microbial desalination cells for fresh water productiontowards the implementation of sustainable desalination technology

Zusammenfassung

El descubrimiento de la capacidad que presentan algunas bacterias para intercambiar electrones con materiales conductores de la electricidad ha dado lugar a un nuevo campo de estudio denominado electromicrobiología. Debido a la capacidad y versatilidad de estos microorganismos se ha desarrollado una plataforma de tecnologías denominadas Tecnologías Electroquímicas Microbianas (en inglés, Microbial Electrochemical Technologies, MET), con potencial para ofrecer soluciones al reto de la limitación de los recursos como la energía y el agua. Aunque el nacimiento de la electromicrobiología aspiraba a recuperar la energía química presente en contaminantes orgánicos, dos décadas de investigación han hecho posible la aparición de múltiples aplicaciones, entre las que se encuentra la desalinización de agua. La desalinización microbiana (en inglés, Microbial Desalination Cell, MDC) es una tecnología bioelectroquímica sostenible y energéticamente autosuficiente que trata aguas residuales, produce energía y desaliniza agua al mismo tiempo en el mismo dispositivo sin aporte de energía externa. El proceso de desalinización está impulsado por la energía que aportan los microorganismos electroactivos a través de la degradación de la materia orgánica contenida en las aguas residuales. Sin embargo, la implementación de la tecnología MDC a escala real depende de superar las actuales limitaciones que presenta. Es necesario el estudio sistemático de estos dispositivos MDC a escala de laboratorio para profundizar en el estudio de los procesos microbianos, en las mejoras tecnológicas, etc. Actualmente, la desalinización del agua de mar y la reutilización del agua tratada se han propuesto para paliar los problemas asociados a la escasez de los recursos hídricos a nivel mundial. La ósmosis inversa (RO, por sus siglas en inglés) es la tecnología de desalinización más extendida, pero aún son necesarios nuevos enfoques para disminuir su alto consumo de energía (3-4 kWh m-3). En este sentido, la tecnología de desalinización microbiana se ha propuesto como una etapa de pretratamiento para la tecnología de RO para reducir la energía de desalinización del proceso de RO y aumentar la producción de agua potable utilizando aguas residuales como una fuente de energía renovable. Con este objetivo, el proyecto MIDES (proyecto de investigación en el que se ha enmarcado la presente tesis) ha desarrollado la planta demostrativa más grande del mundo de la tecnología MDC. La memoria de esta tesis consta de 9 capítulos, 5 de ellos experimentales. Los principales resultados presentados sirvieron de referencia como punto de partida para el posterior escalado de la tecnología que se llevó a cabo dentro del proyecto MIDES-H2020 donde queda contextualizada esta tesis (Research Framework). El Capítulo 1 (Introducción) proporciona una visión general de la situación actual de las tecnologías de desalinización, así como el origen, fundamento y estado del arte de las METs. Como parte final de este capítulo se detallan en profundidad los sistemas MDC (mecanismo, los factores principales que afectan a su desempeño) junto con su estado del arte. Además, se presentan los retos actuales que existen y que deberían superarse para la implantación de esta tecnología a escala real. Los objetivos de esta tesis, recogidos en el Capítulo 2, han sido investigar de forma sistemática el dispositivo bioelectroquímico MDC a escala de laboratorio (descrito en Capítulo 3) para lograr profundizar y entender el comportamiento electroquímico de este tipo de sistemas y así promover su desarrollo, diseño y optimización, con el objetivo de producir agua potable con bajo costo energético. Uno de esos retos actuales de esta tecnología es la elección de la reacción catódica utilizada en el sistema MDC para llevar a cabo la desalinización. Por ello, el primer capítulo experimental (Capítulo 4) aborda la comparación del funcionamiento de dos sistemas MDC bajo una estrategia catódica diferente (cátodo de aire frente al uso de catolito líquido) para la desalinización de agua sintética (salobre y agua de mar). Una vez conocido el desempeño de estos sistemas sin limitación catódica, se realizó el estudio del comportamiento electroquímico del sistema MDC a escala de laboratorio para la desalinización de agua salobre sintética bajo la estrategia catódica de mayor eficiencia en desalinización (Capítulo 5). En este estudio, los principales parámetros de los sistemas MDC (producción de agua desalinizada y energía generada) se obtuvieron bajo diferentes valores de la resistencia externa. Estos parámetros de tratamiento y producción se ven afectados, además, por otros muchos factores como por ejemplo la concentración inicial de la corriente salina (Capítulo 6), que puede variar dependiendo del escenario donde se pueda estudiar/implantar esta tecnología. Una vez estudiado el funcionamiento del sistema MDC en condiciones no reales (aguas sintéticas), se realizaron desalinizaciones operando con aguas reales, tanto residuales (urbana, industrial) como salinas (salobre, agua de mar) con el fin de validar a escala de laboratorio el sistema en condiciones reales (Capítulo 7). Entre los factores cruciales a nivel económico y de rendimiento no sólo en los sistemas MDC sino en los sistemas bioelectroquímicos en general, se encuentran los materiales conductores carbonosos. Estos materiales son utilizados por los microorganismos electroactivos para la transferencia electrónica. Por esta razón, el estudio de nuevos materiales que promuevan la adhesión y la transferencia electrónica con las biopelículas electroactivas tiene gran relevancia en estas tecnologías. El estudio mostrado en el último capítulo experimental (Capítulo 8) comprende la caracterización fisicoquímica de un material carbonoso comercial que es posteriormente activado a través de un tratamiento de CO2 y temperatura. Se estudió la influencia que tiene la activación del material frente a la electroactividad por parte de las bacterias electroactivas que colonizan su superficie. Finalmente, se presenta una discusión general que pone en contexto los resultados recogidos en los 5 capítulos experimentales anteriores, junto con unas conclusiones generales y trabajos futuros que podrían realizarse para el continuo desarrollo de la tecnología MDC (Capítulo 9).