Carbón activado: aplicaciones de desalinización

La primera de una serie de cinco partes sobre las aplicaciones del carbón activado, la desalinización, se discute aquí. Con ciertas partes del mundo sufriendo constantemente de un suministro deficiente de agua potable, el concepto de desalinización es atractivo. Los métodos contemporáneos para eliminar la sal del agua de mar son caros y consumen mucha energía. El uso de carbón activado puede ayudar a aliviar algunas de estas preocupaciones.

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No solo es esencial para la preservación de la vida, sino que
garantizar un buen suministro de agua
es fundamental para el éxito continuo y la estabilidad de un país. Con el calentamiento global causando el aumento de las temperaturas que conduce a la sequía y, por lo tanto, la deshidratación de humanos y animales y la pérdida de cosechas, mantener un suministro constante de agua limpia nunca ha sido más importante. Las plantas de desalinización contemporáneas utilizan agua de mar (que es abundante) y a través de un proceso de filtración por filtros de tamaño, membranas y otros producen suministros limpios y potables. El agua de mar puede contener hasta 35 g L-1 de sólidos disueltos(1).

El tipo principal de planta desalinizadora es la planta de ósmosis inversa. Esto fuerza el agua limpia a través de una membrana parcialmente permeable desde un lugar de alta concentración de sal hasta uno bajo. Esto utiliza energía eléctrica. También elimina otros iones e impurezas del agua salada. Sin embargo, la eficiencia se pierde cuando estas membranas se obstruyen o bloquean por contaminantes, organismos y microplásticos, por ejemplo. Las plantas modernas de ósmosis inversa solo operan con una eficiencia de alrededor del 30%, por lo que la necesidad de un régimen de filtración previa a la membrana es crucial.

Las instalaciones contemporáneas de ósmosis inversa emplean filtración gradual por delante de la membrana permeable para garantizar un proceso lo más eficiente posible. Con la idea de reducir la acumulación de sólidos en el sitio de la membrana, se pueden reducir los requisitos de energía. Las opciones populares para los medios de filtración incluyen antracita, arena y
carbón activado
granular. Tales vías de filtración pueden permitir una mejora del 35% en la recuperación de agua en el transcurso del año en relación con la falta de filtración. Estos filtros multimedia pueden procesar hasta 40 metros cúbicos de agua de mar por hora, a menudo produciendo alrededor de 10 metros cúbicos de agua potable(2).

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Adición de GAC como filtro de ósmosis preinversa

Al igual que con la antracita, el despliegue de GAC como filtro de preósmosis es común. A menudo, estos se usan uno junto al otro para proporcionar la filtración más completa posible, lo que resulta ventajoso para proteger aún más el filtro, práctico porque tanto GAC como antracita son materiales altamente resistentes. Tal ejemplo de usarlos juntos es donde la eficiencia general del sistema fue mejorada por el GAC eliminando efectivamente los materiales orgánicos disueltos (hasta en un 70%) y cTEP (hasta en un 90%) con mejoras generales de eficiencia provenientes de una disminución limitada de la permeabilidad(3). Cuando se usa como parte de una configuración de ultrafiltración, las ganancias de eficiencia son aún mayores.

Para la eliminación de residuos bacterianos, GAC y antracita se han utilizado en un estudio de la competencia. Se encontró que ambos son altamente efectivos como pretratamiento para la desalinización de agua de mar en los casos en que el agua de mar era rica en bacterias. En una columna de lecho fijo instalada con una profundidad de lecho de 1 m, ambos fueron igual de efectivos, pero la antracita tendía a permitir una mayor aglomeración bacteriana en la parte superior del lecho filtrante(4). De hecho, el uso de GAC como parte del sistema de filtración por premembrana ha sido considerado durante mucho tiempo efectivo contra materiales biológicos(5).

Una de las principales ventajas de GAC como filtro de premembrana es su capacidad para reducir la dosis requerida de floculantes. GAC es capaz de eliminar más del 70% de los compuestos de bajo peso molecular, tanto neutros como ácidos, lo que reduce el bioensuciamiento de la membrana. En los sistemas convencionales, normalmente se requiere una dosis de cloruro férrico y sulfato poliférrico (3 y 2 mg L-1 respectivamente) para garantizar la eliminación de residuos orgánicos mediante floculación. El uso de GAC como filtro reduce significativamente la cantidad de cloruro férrico y sulfato hasta alrededor de 1 mg L-1 consistentemente, reduciendo el costo y la complejidad(6).

La actividad microbiana en el biofiltro GAC no es una preocupación. El GAC reduce la cantidad de bioincrustantes a través de la adsorción y biodegradación, siendo deseable tener material biológico en el filtro, ya que puede causar la degradación de otras moléculas contaminantes(7). Los biofiltros GAC resultan consistentemente en la reducción de la concentración de partículas de exopolímero transparentes y carbono orgánico asimilable.

Incluso el agua de mar contaminada con petróleo es tratable con GAC. Naturalmente, es más difícil y los grandes despliegues deberían considerar el uso de otros materiales para eliminar el petróleo adicionalmente, pero la investigación ha demostrado que la filtración GAC puede eliminar hasta el 98% del carbono orgánico disuelto del agua de mar contaminada con petróleo erosionado (8). Esto representa una mejora impresionante sobre lo que es posible con la floculación de cloruro de hierro sola, que solo pudo eliminar una cuarta parte del carbono orgánico disuelto.

En general, se puede decir sin lugar a dudas que GAC es una vía efectiva de tratamiento de filtro de membrana de ósmosis inversa que garantiza una eliminación adecuada a excelente de compuestos orgánicos disueltos, bacterias y otros, para proteger la membrana.

Otro método de desionización es la desionización capacitiva de membrana, que utiliza una configuración similar a la electrólisis para desionizar líquidos a pequeña escala. Si bien gran parte del enfoque se centra en las identidades de los electrodos en sí, la identidad del material que los separa no lo es. Los materiales comunes son fibras de acero inoxidable y papel de filtro. GAC supera a estos por un amplio margen en desalinización. El GAC es capaz de desalinizar a razón de 513,4 mg L-1 h-1, siendo observados valores de 374,1 y 297,9 mg L-1 h-1 para los materiales tradicionales respectivamente(9).

El agua limpia que vierte después de filtrar a través de los medios filtrantes de vidrio

Consideraciones requeridas

GAC no es una bala de plata, y a menudo se usa junto con otros métodos de tratamiento por una buena razón. Los estudios han demostrado que, aunque abrumadoramente efectivo como tratamiento previo a la membrana, el GAC puede no ser tan efectivo contra contaminantes como moléculas de tipo húmico de bajo peso molecular que están vinculadas a polisacáridos y proteínas(10). Afortunadamente, GAC es efectivo en la mayoría de las otras líneas, incluyendo y especialmente biodegradables y otros compuestos orgánicos que constituyen la mayoría de los contaminantes responsables del ensuciamiento de todos modos.

Ejemplos del mundo real

Si bien las pruebas de laboratorio extensas son útiles, nada puede superar la experiencia acumulada en el mundo real. GAC se utiliza en varios lugares del mundo como parte de un programa integral de desalinización. En Curazao, en las Antillas Neerlandesas, el GAC se utiliza para inmovilizar especies de boro después de que hayan pasado a través de la membrana de ósmosis inversa. Como isla caribeña, Curazao depende de la ósmosis inversa para una gran proporción de sus necesidades de agua potable. El GAC de la planta de Curazao es responsable de la eliminación de los niveles de boro por debajo del límite legal de 0,3 mg L-1, y este proceso proporciona el 50% del agua de la isla(11).

El agua salobre de los ríos Llobregat y Ter, cerca de Barcelona, contiene niveles elevados de materia orgánica natural y trihalometanos. La filtración GAC se utiliza antes de un proceso de desalinización inversa de electrodiálisis. A diferencia de la ósmosis inversa, el objetivo principal no es proteger una membrana per se, pero la eliminación de haloalcanos y residuos orgánicos significa que el electrolizador es capaz de funcionar en condiciones mucho más adecuadas(12). La planta es capaz de producir 2,3m3 s-1 de agua potable para los 4,5 millones de residentes que dependen de ella.

Más aplicable al mundo en desarrollo es la desalinización solar. Esto tampoco está basado en membranas y puede describirse como un método más crudo, pero más robusto. Debido a que un sistema de desalinización solar depende de hervir y condensar agua, es imperativo que las únicas cosas que contiene agua sean agua y sal. El carbón activado granular se utiliza como un filtro de amplio rango para eliminar una multitud de contaminantes. Este filtro adsorbente poroso conduce a un mejor rendimiento solar, un menor costo de operación y menos emisiones generales también(13).

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  • El carbón activado granular es un filtro ampliamente utilizado y útil para una variedad de aplicaciones
  • Basado en su porosidad y química superficial única, encuentra uso en aplicaciones de desalinización como parte de la vía de pretratamiento, a menudo junto con materiales como antracita y arena.
  • La desalinización es uno de los métodos más estudiados y ampliamente utilizados para garantizar el suministro de agua limpia
  • Como pretratamiento, GAC actúa para proteger la membrana del filtro de ósmosis inversa, asegurando que pueda funcionar sin cesar ni ser molestada por moléculas que no son sal y agua.
  • El uso de un proceso de pretratamiento significa que se requiere menos energía para la ósmosis inversa y la membrana dura más tiempo, con hasta un 35% más de agua potable producida como resultado.
  • El uso de GAC como filtro de premembrana se ha utilizado con éxito hoy en día en las Antillas Neerlandesas para ósmosis inversa y en España para métodos de desalinización por electrodiálisis inversa
  • También es útil en la desionización capacitiva de membrana, superando las tecnologías de separación tradicionales.
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Referencias

1 S.-H. Kim et al., Desalinización y tratamiento de aguas, 2011, 32, 339

2 Departamento del Ejército, Manual Técnico de Desalinización de Agua, Washington, D.C., 1986

3 S. Laborie et al., Desalination, 2016, 383, 1

4 G. Naidu y otros, Ecólogo. Eng., 2013, 60, 370

5 S. Vigneswaran et al., Desalination, 2009, 247, 77

6 S. Vigneswaran et al., Desalination, 2014, 354, 9

7 S. Vigneswaran et al., Desalination, 2013, 309, 254

8 W.-H. Kim y M. Okada, Kor. J. Agua Env., 2004, 20, 447

9 P. Liang et al., Desalination, 2016, 381, 95

10 C. G. Dosoretz et al., Water Res., 2008, 42, 1595

11 V. Bonnélye et al., Desalination, 2007, 205, 200

12 F. Valero y R. Arbós, Desalación, 2010, 253, 170

13 G. B. Abdelaziz y otros, Entorno de seguridad de procesos. Protección, 2021, 147, 1052