La ingeniosa depuradora que aprovecha las aguas residuales para producir luz barata y agua potable

A principios de este año, la Agencia Estatal de Meteorología (Aemet) hacía una preocupante predicción. "Los datos de lluvia acumulada en los tres años previos han sido lo suficientemente escasos como para hablar de una incipiente sequía de larga duración en España", afirmaba en un informe. La situación es dramática en comunidades como Cataluña, que acaba de ampliar las restricciones de agua a 6 millones de personas. Ante esta situación, es crucial la aplicación de tecnologías como el ingenioso invento español para regar el campo gastando hasta un 70% menos de agua. 

Desde hace años, científicos de todo el mundo tratan de hallar soluciones a la escasez de agua en la desalación de agua de mar y la purificación de las aguas residuales, pero las más habituales consumen grandes cantidades de energía. Según estimaciones del Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE), las plantas desaladoras y las depuradoras son responsables de, al menos, el 2% del consumo energético español. A nivel mundial, las plantas de tratamiento de aguas residuales también producen alrededor del 3% de todas las emisiones de gases de efecto invernadero.

Ante esta situación, los investigadores buscan maneras de resolver ambos problemas, el del agua y el de la energía, de un solo plumazo. Es lo que han conseguido científicos del Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (KIST), que acaban de anunciar el desarrollo de una membrana multifuncional capaz de suministrar agua potable y generar electricidad continua a partir de diversos recursos hídricos, como aguas residuales, agua de mar o aguas subterráneas.

Cómo funciona

Para generar electricidad durante el proceso de purificación del agua, el equipo liderado por Ji-Soo Jang, del Centro de Investigación de Materiales Electrónicos, y Tae-Gwang Yoon, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Myongji, ha dado con una solución inédita hasta la fecha: un dispositivo "tipo sándwich" compuesto por una membrana porosa, encargada de filtrar el agua en la parte inferior, y un polímero conductor que genera electricidad en la parte superior.

Así, la membrana o EPM (siglas en inglés de 'membrana de producción de electricidad y depuración') está diseñada para controlar la dirección del flujo de agua. "A medida que el agua contaminada pasa por el EPM, se purifica en la dirección perpendicular, mientras que la electricidad se produce simultáneamente en la dirección horizontal por el movimiento de los iones", señalan los investigadores.

Diagrama de la membrana purificadora de agua y generadora de energía Ji-Soo Jang / KIST Omicrono

"Es una tecnología novedosa que puede resolver el problema de la escasez de agua y producir energía verde al mismo tiempo, por lo que tiene un gran potencial de crecimiento", admitió Ji-Soo Jang en un comunicado de prensa.

En las pruebas realizadas en laboratorio, los investigadores surcoreanos registraron una considerable generación de electricidad continua durante más de 3 horas con sólo 10 µl (microlitros, equivalentes a 0,10 mililitros) de agua.

Otra característica destacada de este sistema es que puede capturar más del 95% de los contaminantes de tamaños inferiores a 10 nm, lo que incluye los peligrosos microplásticos, así como las partículas de metales pesados presentes en las aguas residuales. 

Sin embargo, la característica más sorprendente es que la membrana no requiere de una gran inversión. Su fabricación puede llevarse a cabo mediante un simple proceso de impresión, sin ninguna restricción en cuanto al tamaño. Esto permitiría su comercialización a gran escala, al tratarse de un sistema barato y muy eficaz, tanto para la purificación del agua como para la generación de energía.

Sistema de drenaje urbano. Canal.

Ahora, el equipo está llevando a cabo un seguimiento de la eficacia de la EPM a largo plazo y comprobando si puede ser utilizado como generador de energía renovable. Su objetivo es seguir estudiando todas las variables para ampliar su capacidad de generar electricidad y mejorar la calidad del agua residual hasta el nivel de agua potable, con la vista puesta en desarrollar una membrana capaz de operar en el mundo real. 

Proyectos alternativos

No es el primer proyecto (ni será el último) en estudiar las posibilidades del tratamiento de las aguas residuales como generador de energía. Investigadores de la Universidad de Washington desarrollaron en 2021 otra membrana capaz de producir electricidad a partir de aguas residuales, al tiempo que las filtraba para usos no potables.

Un ingeniero toma mediciones en una planta de depuración de aguas residuales iStock Omicrono

En este caso se trata de una pila de combustible microbiana, que utiliza bacterias para llevar a cabo la conversión. Su funcionamiento es similar al de una batería con dos electrodos, uno de ellos fabricado con tela de carbono. La tela actúa como filtro y recoge la materia orgánica de las aguas residuales. Además, las bacterias crecen fácilmente en la tela, donde consumen los materiales orgánicos y liberan electrones para producir electricidad.

El agua recogida al otro lado de la tela es lo bastante limpia para usos no potables, como el riego, o para verterla al medioambiente sin riesgo de contaminación. En las pruebas, los investigadores alimentaron el sistema con aguas residuales durante un periodo de 30 días, en los que el dispositivo funcionó correctamente. La investigación, detallada en la revista Environmental Science: Water Research & Technology, pretende mejorar el tratamiento de las aguas residuales y, además, neutralizar su consumo energético, pero todavía no se ha probado fuera del laboratorio.

La planta de Marselisborg, en Aarhus (Dinamarca) Aarhus Vand Omicrono

Mientras, otras tecnologías ya han demostrado su eficacia en lugares como la planta de tratamiento de aguas residuales de Marselisborg, en Aarhus, la segunda ciudad más grande de Dinamarca. En 2016, sus instalaciones generaron casi un 70% más de energía de la que necesitaba, convirtiéndose en todo un ejemplo a seguir que ya están poniendo en práctica en otras depuradoras danesas.

La clave en este caso está en los lodos, una materia orgánica que se retira de las aguas residuales, compuesta principalmente por heces, restos de comida y papel. Al introducir los lodos en digestores sin oxígeno, las bacterias se encargan de convertirlos en biogás, que a su vez produce electricidad y calor. Esto no sólo permite que las plantas de tratamiento sean autosuficientes a nivel energético, sino que pueden alimentar edificios cercanos o vender el exceso de electricidad y verterlo de nuevo a la red eléctrica.

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