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Electrodos 3D de Grafito: Del Almacenamiento de Energía a la Desalación de Agua

En la última década el estudio del vínculo entre energía y agua ha cobrado una mayor relevancia. Esto es así dada la estrecha relación que existe entre estos dos elementos no solo desde el punto de vista de la producción de energía, donde el agua tiene un papel fundamental en centrales hidroeléctricas o refrigeración de plantas de energía nuclear, sino también desde la producción de agua, ya que las plantas desaladoras y de tratamiento son grandes consumidoras de energía (principalmente en procesos de bombeo, distribución o aireación). Este nexo se ha ampliado recientemente más allá de la producción de energía llegando a estudiarse los procesos electroquímicos de almacenamiento de energía, fundamentalmente ligados a dispositivos como baterías y supercondensadores, como métodos potenciales para el tratamiento de aguas (desalación, descontaminación de aguas o captura de iones de interés, fundamentalmente).   

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En este sentido, dentro de las tecnologías emergentes de tratamiento de aguas, las tecnologías electroquímicas, y más precisamente las EIPTs (por sus siglas en inglés, “electrochemical ion pumping technologies”) han atraído la atención de la comunidad científica en la última década. En el centro de las tecnologías EIPTs se encuentra el uso de distintos materiales para fabricar los electrodos. En el caso de la desionización capacitiva (CDI, por sus siglas en inglés, Capacitive DeIonization), tecnología EIPTs que intenta aplicar los avances en la tecnología de supercondensadores al campo del tratamiento de agua, los electrodos están hechos de carbono en sus diferentes variedades: carbones activados, nanotubos, fibras o grafeno. 

Recientemente, los investigadores de la Unidad de Procesos Electroquímicos de IMDEA Energía, han publicado su investigación sobre el uso de unos novedosos electrodos 3D de fieltros de grafito recubiertos con carbón activado para su aplicación en la desalación de agua salobre mediante la tecnología de desionización capacitiva. La gran novedad de este material reside en la combinación de la alta conductividad eléctrica del grafito con la elevada capacidad de adsorción de iones del carbón activado. Además, este tipo de electrodos pretende servir de plataforma para un fácil escalado de la tecnología de CDI. Esto es así, dado que los fieltros de grafito son un material conocido y ampliamente utilizado en tecnologías de almacenamiento de energía como las baterías de flujo de vanadio. 

La investigación publicada en Chemical Engineering Journal* muestra el proceso de escalado de este material desde su caracterización electroquímica en una pequeña celda de 1 cm2, hasta la evaluación de prestaciones en un reactor de nueve celdas conectadas en serie con electrodos de 300 cm2. Las pruebas realizadas con este stack de CDI fueron capaces de desalar agua salobre con una producción de 2.26 LMH y un consumo energético de 0.60 kWhm−3, siendo posible reducir este consumo hasta el 50 % mediante la implementación de un sistema electrónico de recuperación de energía.  

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Actualmente, los investigadores de IMDEA continúan trabajando tanto en el escalado de prototipos de mayor tamaño, tomando como referencia las mencionadas baterías de flujo de vanadio, como en la mejora de las prestaciones de los electrodos. Existe por tanto todavía un amplio margen para conseguir un prototipo más competitivo aún si cabe. 

Las investigaciones han sido desarrolladas junto a las empresas GS INIMA Environment, S.A. y Proingesa en el marco del Proyecto DC-SOIAS financiado por el Ministerio de Economía Industria y Competitividad (MINECO) a través del Plan Nacional Retos Colaboración (RTC-2015-3969-5).

(*) Wang, Y., Vázquez-Rodríguez, I., Santos, C., García-Quismondo, E., Palma, J., Anderson, M.A., Lado, J.J. Graphite felt 3D framework composites as an easy to scale capacitive deionization electrode for brackish water desalination. (2020) Chemical Engineering Journal, 392, 123698. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.123698

Más Información: Julio J. Lado. Investigador postdoctoral, Unidad de Procesos Electroquímicos. Julio.lado@imdea.org

https://www.researchgate.net/profile/Julio_Lado_Garrido

Fecha: 
Martes, Mayo 19, 2020