Clarificación de agua con generación de energíaeléctrica en una celda galvánica Al-H2O2

Water Clarification with Electrical Energy Generation by Al-H2O2 Galvanic Cel

La generación de energía eléctrica por oxidación de aluminio produce el catión Al³⁺ y especies como Al(OH)₃, responsables de inducir la floculación en tratamientos de agua. Este artículo busca evidenciar que una celda galvánica Al-H₂O₂ puede desestabilizar los sólidos suspendidos del agua empleada como electrolito de la celda, para describir un proceso de clarificación que genera energía eléctrica en lugar de consumirla. Así, se elaboró una celda galvánica con ánodo de aluminio, cátodo de grafito, H₂O₂ como oxidante y una suspensión de arcilla en solución KCl como electrolito que simuló el agua objeto de tratamiento; se evaluó la eliminación de turbidez en la suspensión, la diferencia de potencial y la corriente eléctrica generada. El sistema propuesto clarificó agua por floculación y disolución, a la vez que generó en promedio 0,613 V y 8,51 C entregados a una intensidad media de 157 μA. La hidrólisis de aluminio eliminó por floculación el 88,9 ± 1 % de turbiedad y mejoró al 96,6 ± 1 % al añadir H₂O₂, el cual solubilizó partículas suspendidas, estimuló la liberación de corriente eléctrica y mitigó la caída de voltaje. De esta manera, se presenta un sistema de obtención de energía eléctrica a partir de un tratamiento primario de agua, inducido por subproductos de una transformación directa de energía química a eléctrica.

Introducción

El escaso o nulo acceso a la energía eléctrica ocasiona tratamientos de agua deficientes [1] que incrementan el riesgo de sufrir enfermedades asociadas a la ingesta de agua no apta para el consumo humano [2], las cuales han llegado a representar el 10 % de las enfermedades mundiales [3]. Los países en vías de desarrollo son los más vulnerables a padecer estos efectos [4], [5], y   en adición, son a los que más les cuesta obtener energía de sus aguas, ya que la tecnología existente para ello es compleja y costosa [6], [7], por ejemplo, en Estados Unidos, el país con más plantas de tratamiento con autosuficiencia energética (según reporte de Gu et al. [6] en 2017), menos del 10 % de éstas presentan excedentes comercializables [6].

Los procesos de tratamiento de agua a partir de los cuales se obtiene energía suelen ser los tratamientos secundarios, sin embargo, la mayoría de estos procesos se encuentran en fase de prueba [6], como es el caso de las celdas de combustible que transforman energía química en eléctrica al oxidar y reducir contaminantes[8], mientras que los tratamientos biológicos que producen biocombustibles, sí se encuentran en fase aplicable [6], [9]. Por su parte, los tratamientos fisicoquímicos primarios no se han contemplado para obtener energía [6], [7], [9] e incluso se ha llegado a consumirla, como sucede en la electrocoagulación [10].

Teniendo en cuenta que la suma de  energía obtenida en distintas etapas del tratamiento de agua podría alcanzar tratamientos sostenibles [6], [7], se  hace  necesario  desarrollar  tecnologías que permitan obtener  energía  mediante  tratamientos  de  agua  distintos  a  los  secundarios,  y  que asimismo puedan complementarlos. En este sentido, llaman la atención el aluminio y  el  peróxido de hidrógeno (H₂O₂), ya que el aluminio, el metal más abundante en la corteza terrestre, considerado un recurso energético de bajo costo [11]-[13], se usa ampliamente en tratamientos primarios de agua [2], [14], [15], y el H₂O₂, un oxidante empleado en pretratamientos de agua [16], es útil además para generar potencia eléctrica en entornos anóxicos [17]. Además, al usar el aluminio como ánodo y el H₂O₂ como oxidante, se han configurado baterías y celdas de combustible para sistemas eléctricos autónomos [18]-[20].