Agua residual: una solución innovadora para la producción de hidrógeno limpio

Un reciente estudio de Princeton Engineering reveló que el agua residual puede ser utilizada como fuente para la producción de hidrógeno, lo que elimina una de las principales desventajas del combustible de hidrógeno y reduce los costos de tratamiento de agua en hasta un 47%. Esta investigación representa un avance significativo hacia la descarbonización de industrias difíciles de electrificar, como la producción de acero y fertilizantes.

El autor principal del estudio, Z. Jason Ren, explicó que la producción actual de hidrógeno mediante electrólisis requiere grandes cantidades de agua limpia, lo que incrementa los costos y agota los suministros locales de agua. Su equipo de investigación se propuso determinar si el agua tratada en plantas de tratamiento de aguas residuales podría ser una alternativa viable.

"La infraestructura de hidrógeno generalmente compite con el uso de agua fresca local", comentó Ren, profesor de ingeniería civil y ambiental y del Andlinger Center for Energy and the Environment. "Pero cada localidad cuenta con una planta de tratamiento de aguas residuales, que es una fuente de agua muy distribuida para la economía del hidrógeno".

La producción de hidrógeno mediante energía renovable, conocida como hidrógeno verde, se basa en la electrólisis para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. En este proceso, el agua ingresa a un electrólito, donde una corriente eléctrica provoca que los iones de hidrógeno cargados positivamente (protones) se desplacen desde un ánodo a través de una membrana especializada hacia un cátodo, donde los protones se combinan con electrones para formar gas hidrógeno.

La investigación, publicada en la revista Water Research, mostró que el equipo de Princeton probó el uso de aguas residuales tratadas en lugar de agua del grifo para evitar el proceso de purificación. En este contexto, el agua residual es "reclamada", lo que significa que se trata hasta el punto en que puede ser descargada en acuíferos o utilizada para riego o refrigeración industrial.

El método había sido intentado anteriormente, pero generalmente fallaba después de un tiempo limitado. Para identificar la causa de este fallo, Lin Du, un estudiante de doctorado en el laboratorio de Ren, realizó experimentos diagnósticos en un electrólito de membrana de intercambio protónico, la misma tecnología que se utiliza comercialmente con agua ultrapura.

Du y sus coautores utilizaron una combinación de pruebas electroquímicas y técnicas avanzadas de imagen microscópica para comparar el rendimiento del agua pura con el de las aguas residuales reclamadas en los reactores. Observaron que el rendimiento del sistema disminuía rápidamente con el agua residual, mientras que el mismo sistema con agua pura continuaba funcionando de manera estable.

A través de análisis experimentales y de modelado, identificaron que los iones de calcio y magnesio, los mismos minerales que causan la acumulación de sarro en grifos y hervidores, eran la principal causa de la pérdida de rendimiento. Estos iones se adhieren a la membrana, bloqueando el transporte de iones y convirtiéndola de un camino poroso a una barrera sólida.

Para abordar este problema, los investigadores propusieron una solución sencilla: acidificar el agua con ácido sulfúrico. El resultado es un tampón ácido que actúa como una rica fuente de protones que compiten con otros iones, manteniendo la conductividad iónica, sosteniendo la corriente eléctrica y permitiendo una producción continua de hidrógeno.

"Es costoso eliminar todos esos iones para que el agua que ingresa al electrólito sea ultrapura", afirmó Ren. "Ahora, simplemente puedes acidificar un poco, introducir agua que contiene iones en el electrólito, y dura más de 300 horas sin problemas aparentes".

Su equipo estimó que utilizar aguas residuales reclamadas en lugar de agua purificada podría reducir el costo de tratamiento de agua para la producción de hidrógeno en aproximadamente un 47% y el costo energético de ese tratamiento en un 62%.

Crucialmente, Ren destacó que "este ácido se recircula, por lo que nunca sale del sistema", lo cual es importante tanto desde una perspectiva ambiental como de costos. Asimismo, los iones de calcio y magnesio permanecen en fase soluble sin interferir con la circulación.

Ren y su equipo están colaborando con socios de la industria para probar cómo funciona su enfoque a mayor escala, así como su posible aplicación con agua de mar pretratada como insumo. El año pasado, publicaron un estudio sobre la optimización de ahorros de agua y costos en la producción de hidrógeno, identificando los mejores lugares en los Estados Unidos para colocalizar instalaciones de hidrógeno con plantas de tratamiento de aguas residuales donde el agua reclamadas es abundante.

"Queríamos explorar realmente la posibilidad de utilizar agua reclamadas para habilitar una estrategia nacional de hidrógeno", concluyó Ren. "Realizamos tanto investigación técnica profunda como trabajo analítico de gran perspectiva para satisfacer tanto las necesidades científicas como las de la industria".