Resumen de Nuevas membranas nanocomposite para una desalación sostenible
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Las tecnologías de desalación, con una capacidad instalada de 100 millones de metros cúbicos en 2016 y una proyección de 140 millones de metros cúbicos en 2030, juegan un papel fundamental en el abastecimiento de agua dulce a nivel global. Sin embargo, la desalación de agua está así mismo asociada con impactos directos e indirectos que comprometen su sostenibilidad ambiental. El principal impacto global indirecto procede del alto consumo energético por unidad de producto deseado. El impacto directo local, en el entorno de la instalación de la planta de desalación, se debe fundamentalmente al vertido de cantidades significativas de concentrados de desalación como subproducto.
El objetivo general de la tesis doctoral es el desarrollo de estrategias innovadoras para mejorar la sostenibilidad ambiental de la desalación mediante electrodiálisis (ED), una de las tecnologías de desalación con membranas más importantes a nivel global para la desalación de agua salobre,incidiendo sobre sus principales impactos ambientales asociados a su consumo energético y a la generación de concentrados de desalación.
En relación al consumo energético se han abordado dos acciones estratégicas. La primera consistió en el estudio de la sostenibilidad de la integración de la ED con energías provenientes de fuentes renovables, analizando el efecto de reducir la carga ambiental asociada a la electricidad de red mediante su sustitución por una fuente primaria baja en carbono como la energía solar fotovoltaica (PV). Se evaluaron los aspectos ambientales, económicos y sociales de la integración ED-PV, se identificaron las principales barreras técnicas y económicas de este acoplamiento,y se presentó una previsión económica a medio-largo plazo de la combinación ED-PV,tomando como caso de estudio una planta de 39 metros cúbicos al día de capacidad operada en las Islas Canarias.
La segunda acción estratégica consistió en el desarrollo de nuevas membranas de intercambio aniónico nanocomposite con el objetivo de mejorar la eficiencia del proceso de desalación y reducir el consumo energético por unidad de producto. Estas membranas nanocomposite están formadas por una membrana de intercambio aniónico comercial de polietileno y una película cargada negativamente formada por polióxido de (2,6-dimetil-1,4-fenileno) sulfonadoy un nanomaterial: nanopartículas de óxido de hierro sulfonadas o nanotubos de carbono multipared oxidados.
La introducción de esta película nanocomposite en la membrana comercial de polietileno causó un cambio significativo en las características físico-químicas de la superficie de la membrana como su composición, hidrofilicidad, rugosidad y carga, dando como resultado una mejora de su resistencia frente al fouling orgánico, su selectividad hacia iones monovalentes y su flujo de aniones cloruro. Las dos películas nanocomposite presentaron un comportamiento muy similar tanto en la caracterización de propiedades superficiales de la membrana como en la evaluación de su comportamiento frente a fenómenos de fouling orgánico y transporte de iones.
Además, en este trabajo se presenta un modelado del comportamiento eléctrico,tanto de membranas de intercambio iónico comerciales como de membranas nanocomposite. Para ello se ha realizado el ajuste de datos de impedancia a un modelo matemático tipo Maxwell-Wagner, con el que se ha propuesto un circuito eléctrico equivalente para cada membrana,el cual permite relacionar cambios en propiedades eléctricas con cambios estructurales y avanzar en el conocimiento del comportamiento eléctrico de membranas avanzadas multicapa.
En relación a la problemática local asociada a la generación de notables cantidades de concentrados de desalación, se ha propuesto como acción estratégica la utilización de la tecnología de ED con membranas bipolares (EDBM) para el tratamiento y valoración de los concentrados de desalación en forma de HCl y NaOH. Para ello, se han identificado las principales barreras de esta tecnología en la valorización de concentrados de desalación, entre las que destaca la baja pureza de los productos obtenidos en relación con los grados comerciales, y se ha estudiado la influencia de la densidad de corriente sobre la evolución de las principales impurezas del ácido (sulfato) y la base (potasio).Así mismo, se ha comparado la mejora en la pureza del ácido obtenido utilizando membranas comerciales y membranas nanocomposite y se ha evaluado la estabilidad de las membranas nanocomposite al trabajar con ácidos y bases en EDBM.
- English
Desalination technologies play a key role in global freshwater supply. However, water desalination is associated with indirect global impacts, due to the CO2 emmisions related to its high energy consumption, and direct impacts due to the discharge of significant amounts of desalination concentrates as subproducts.
The main objective of this doctoral thesis is the development of innovative strategies to improve the environmental sustainability of desalination by electrodialysis. To do so, this thesis address the study of the sustainability of the integration of electrodialysis with energies from renewable sources, the development of novel nanocomposite anion exchange membranes, targeting the enhancement of the efficiency of the desalination process, and the treatment and valorization of desalination brines into HCl and NaOH by electrodialysis with bipolar membranes to reduce the direct environmental impact of desalination technologies.
