Química

hidrogen a partir aigües residuals
04/2015 -

Producció biològica d’hidrogen i energia a partir d’aigües residuals

Investigadors del Departament d’Enginyeria Química de la UAB han aconseguit obtenir energia elèctrica i hidrogen de manera eficient a partir del procés de depuració d’aigües residuals. El sistema proposat utilitza bacteris que consumeixen la matèria orgànica i produeixen un corrent elèctric que permet la producció d’hidrogen, el vector energètic del futur. Els resultats apunten cap a un desenvolupament a escala industrial d’aquesta tecnologia, si bé abans cal afrontar alguns obstacles tècnics.

Referències

Montpart, N.; Rago, L.; Baeza, J.A.; Guisasola, A. Hydrogen production in single chamber microbial electrolysis cells with different complex substrates. Water Research. 2015, vol. 68, p. 601-615. doi: 10.1016/j.watres.2014.10.026.
 
Montpart, N.; Ribot-Llobet, E.; Garlapati, V.K.; Rago, L.; Baeza, J.A.; Guisasola, A. Methanol opportunities for electricity and hydrogen production in bioelectrochemical systems. International Journal of Hydrogen Energy. 2014, vol. 39, num. 2, p. 770-777. doi: 10.1016/j.ijhydene.2013.10.151.

Actualment existeixen tractaments que permeten la purificació de les aigües residuals per tal d’aconseguir efluents que es poden abocar a mars o rius sense problemes mediambientals. No obstant, es tracten generalment de tecnologies amb un elevat cost energètic, majoritàriament d’aireació i bombeig, i amb un elevat cost econòmic del tractament dels residus generats, principalment els llots de depuradora. Per una altra banda, les aigües residuals contenen una gran quantitat d’energia química en la matèria orgànica contaminant. L’objectiu d’aquesta recerca és recuperar en forma d’hidrogen l’energia continguda en aquestes aigües residuals i així matar dos pardals d’un tret, ja que eliminaríem eficientment la matèria orgànica de les aigües residuals i no només aconseguiríem reduir el consum energètic del procés de depuració sinó que obtindríem energia a partir d’aquest residu.
 
La clau del projecte proposat és la utilització d’uns bacteris molt especials, els bacteris exoelectrògens, que són capaços d’oxidar la matèria orgànica, transferir els electrons resultants de l’oxidació a l’exterior de la cèl·lula i cedir-los a un elèctrode sòlid extern. Si aprofitem aquesta habilitat de cedir electrons a un elèctrode, els podem fer treballar com una pila elèctrica i així aconseguir la circulació de corrent a mesura que consumeixen matèria orgànica provinent d’aigua residual. Per aconseguir la reacció d’oxidació a l’ànode de la pila on actuen els microorganismes exoelectrògens cal una reacció de reducció al càtode de la pila. Si al càtode hi ha protons podem aprofitar els electrons generats per produir hidrogen, el vector energètic del futur. Només és necessari afegir una mica d’energia en forma de voltatge al sistema (molta menys que la necessària per fer l’electròlisi de l’aigua) per tal que funcioni, però se’n recupera més en forma d’hidrogen, aconseguint per tant generació neta d’energia. Aquests dispositius s’anomenen cel·les microbianes d’electròlisi (Microbial Electrolysis Cells, MEC) i actualment és una tecnologia molt jove i prometedora que s’està desenvolupant a nivell de laboratori.
 
El grup de recerca en Bioelectroquímica del Departament d’Enginyeria Química de la UAB porta més de 5 anys amb estudis enfocats a la millora de l’eficiència energètica de les MEC i a la viabilitat del seu escalat per tal d’accelerar-ne la seva aplicació a escala real. Els resultats a nivell de laboratori són molt prometedors i demostren que aquests sistemes tindrien un nínxol de mercat a escala industrial, però encara hi ha obstacles tècnics que cal afrontar abans d’aquest escalat. Un d’aquests obstacles és la utilització d’aigües reals ja que, abans de la recerca desenvolupada, la major part dels resultats s’havien obtingut amb aigües sintètiques molt biodegradables. És per això que dos dels treballs emmarcats en la tesi de la Dra. Núria Montpart s’han enfocat a la producció biològica d’hidrogen lligada al tractament d’aigües residuals amb substrats complexes tals com metanol, residus làctics, midó i glicerol. L’objectiu d’aquests treballs ha estat recuperar la major part possible de l’energia continguda en aquests residus en forma d’hidrogen. Per aconseguir-ho, s’ha seleccionat un consorci microbià que és capaç de transformar aquests substrats complexos en compostos més simples que poden ser degradats pels microorganismes exoelectrògens.
 
Els resultats han estat molt positius i s’han aconseguit intensitats de corrent i velocitats de producció d’hidrogen molt elevades a partir de la depuració d’aquestes aigües residuals. A llarg termini, la cel·la alimentada amb residus làctics va donar els millors resultats tant en termes d’intensitat de corrent (150 ampers per metre cúbic de cel·la), producció d’hidrogen (0.94 metres cúbics d’hidrogen per metre cúbic de reactor i dia) i recuperació d’electrons al càtode (91%), i tot això amb un voltatge aplicat de només 0.8 V. Aquests resultats fan més factible el desenvolupament industrial d’aquesta tecnologia i per tant la creació de sistemes de tractament d’aigües residuals productores d’energia en forma d’hidrogen.

Imatge superior esquerra: iStockphoto/CarpathianPrince.

Albert Guisasola i Canudas
Grup de Tractament Biològic d'Efluents Líquids i Gasosos. Eliminació de Nutrients, Olors i Compostos Orgànics Volàtils (GENOCOV)

albert.guisasola@uab.cat

2021 Universitat Autònoma de Barcelona

B.11870-2012 ISSN: 2014-6388