Microbial desalination cells for fresh water production: towards the implementation of sustainable desalination technology

• Autores: Marina Ramirez Moreno
• Directores de la Tesis: Juan Manuel Ortiz Díaz-Guerra (dir. tes.), Abraham Esteve Núñez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2024
• Idioma: español
• Número de páginas: 371
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Hidrología y Gestión de los Recursos Hídricos por la Universidad de Alcalá y la Universidad Rey Juan Carlos
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: e_Buah
• Resumen
  • español

    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).

  • English

    The discovery of the ability of some bacteria to exchange electrons with electrically conductive materials has given rise to a new field of study called electromicrobiology. Due to the capacity and versatility of these microorganisms, a platform of technologies called Microbial Electrochemical Technologies (MET) has been developed, with the potential to offer solutions to the challenge of limited resources such as energy and water. Although the birth of electromicrobiology aspired to recover the chemical energy present in organic contaminants, two decades of research have made possible the appearance of multiple applications, including water desalination.

    Microbial Desalination Cell (MDC) technology is a sustainable and energyself-sufficient bioelectrochemical technology that treats wastewater, produces power, and desalinates water simultaneously in the same device without external power input. The desalination process in the MDC device is driven by the energy provided by electroactive microorganisms through the degradation of organic matter contained in the wastewater. However, implementing MDC technology on a real scale depends on overcoming its current limitations. This requires a systematic study of these devices in the laboratory to be able to further study microbial processes, technological improvements, etc.

    Currently, the desalination of seawater and the reuse of treated water have been proposed to alleviate the problems associated with the scarcity of water resources worldwide. Reverse osmosis (RO) is the most widely implemented desalination technology, but new approaches are still needed to decrease its high energy consumption (3-4 kWh m-3). In this regard, Microbial Desalination (MDC) technology has been proposed as a pretreatment step for RO technology to reduce desalination energy from the RO process and increase potable water production using wastewater as a renewable energy source. With this objective, the MIDES project (the research project in which this thesis has been framed) has developed the world's largest demonstration plant of MDC technology.

    The memory of this thesis consists of 9 chapters, 5 of which are experimental. The main results presented served as a reference and a starting point for the subsequent scale-up of the technology within the MIDES-H2020 project, where this thesis is contextualized (Research Framework). Chapter 1 (Introduction) provides an overview of the current situation of desalination technologies and the origin, rationale and state-of-the-art of METs. As a final part of this chapter, the MDC systems (mechanism, the main factors that worsen their performance) are detailed in-depth together with their state of the art. In addition, the current challenges that exist and can be overcome for implementing this technology on a real scale are presented. The objectives of this thesis, collected in Chapter 2, have systematically investigated the MDC bioelectrochemical device on a laboratory scale (described in Chapter 3) to deepen and understand the electrochemical behavior of this type of system and thus promote its use, development, design, and optimization to produce drinking water with low energy cost. One of the current challenges of this technology is the choice of the cathode reaction used in the MDC system to carry out desalination. For this reason, the first experimental chapter (Chapter 4) deals with the comparison of the operation of two MDC systems under a different cathode strategy (air cathode versus the use of liquid catholyte) for the desalination of synthetic water (brackish water and seawater). Once the performance of these systems without cathodic limitation was known, the study of the electrochemical behavior of the MDC system was carried out on a laboratory scale for the desalination of synthetic brackish water under the cathodic strategy of greater efficiency in desalination (Chapter 5). In this study, the main parameters of the MDC systems (desalinated water production and generated energy) were under different values of external resistance. These treatment and production parameters are also affected by many other factors, such as the initial concentration of the saline stream (Chapter 6), which can vary depending on the scenario where this technology can be studied/implemented. After the operation of the MDC system was studied in non-real conditions (synthetic waters), desalination was carried out operating with real waters, both residual (urban, industrial) and saline (brackish, seawater) to validate on a laboratory scale the system under real conditions (Chapter 7).

    One of the crucial economic and performance factors, not only in MDC systems but also in bioelectrochemical systems in general, is carbonaceous conductive materials. Electroactive microorganisms use these materials forelectron transfer. For this reason, the study of new materials that promise adhesion and electron transfer with electroactive biofilms is of great relevance in these technologies. The study shown in the last experimental chapter (Chapter 8) includes the physicochemical characterization of a commercial carbonaceous material that is subsequently activated through a CO2 and temperature treatment. The influence of the activation of the material against electroactivity by electroactive bacteria that colonize its surface was learned. Finally, a general discussion is presented to contextualize the results collected in the five experimental chapters exposed above, together with some general conclusions and future work that could be achieved in the future for the continuous development of MDC technology (Chapter 9).