Condensadores electroquímicos para la desalación del agua 1 -

Condensadores electroquímicos para la desalación del agua 1
CONDENSADORES ELECTROQUÍMICOS PARA LA
DESALACIÓN DEL AGUA
John Alexander Salcedo Huertas
[email protected]
Electromagnetismo
Docente Jaime Villalobos
Cod
245511
Gr09NL29
Palabras clave: condensador electroquímico / desionización
capacitiva/Purificación del agua/ prototipo/ investigación/
pseudocapacitancia
Resumen
El siguiente artículo tiene como objetivo familiarizar el
tema
del
condensador de alta capacidad
(condensador electroquímico), tipos y aplicaciones,
dentro de estas últimas se tratará el tema de
desionización capacitiva que conlleva a la purificación
del agua ,aquí
nos referimos al condensador
electroquímico, tema actual en la industria como
ejemplo: sus prototipos, sus avances, su tecnología
existente, sus bajos costos, proyecto de investigación
de desalinización del agua y empresas en marcha con
este objetivo.
Introducción
Existe un crecimiento mundial de las tecnologías de
desalación para producir un suministro de agua
potable y es notorio en los últimos años, más que
nunca para hacer frente a la gran sequía mundial y
búsquedas de nuevas fuentes de agua potable. Como
estudiante de ingeniería química me llamó la atención
el tema capacitores y su importante
avance
tecnológico en un tema de gran importancia y
actualidad el cual es la desalinización, que es una
línea de tendencia habitual de crecimiento en los
últimos años,
a fin de constituir un recurso
estratégico, efectivo y sostenible en la industria
moderna, los recientes avances de condensadores
electroquímicos y el almacenamiento de energía
reducen de manera efectiva los costos, tiempo y las
emisiones de gases al medio ambiente, el tema es
conseguir dispositivos de desalación de agua con una
elevada eficiencia energética.
-
Un capacitor electroquímico también es conocido
como un superconductor que posee densidad de
energía alta, lo cual no es común frente a los demás
capacitores. Tendrán decenas de miliFaradios (mF), en
general a menor voltaje de trabajo. El conductor como
tal es el elemento pasivo de un circuito eléctrico con
dos terminales formado por dos placas conductoras
separadas por un aislante, en este se almacena
energía debido al paso de corriente entre sus placas.
El primer supercapacitor fue ofrecido por Standard Oíl
of Ohio (SOHIO) en 1969, con una interfaz de carbono y
solución electrolítica de sal de tetralquilamonio. Más
adelante, a final de los ochenta se desarrolló el primer
supercapacitor de un faradio y compañías rusas a
principios de los noventa presentaron el primer
supercapacitor que superaba los cien faradios.
El primer éxito para obtener supercapacitores
rentables fue el uso de bióxido de rutenio por Conway
y sus colaboradores en 1991, fue el primer
supercapacitor que presentó baja resistencia interna.
Actualmente los supercapacitores comerciales son de
base carbono con un electrólito de metal alcalino o
alcalinotérreo. Los principales productores son
Panasonic y Maxwell Tecnologics. Estas se ocupan del
diseño de sistemas de potencia para la estabilización
de voltaje, por lo cual encontramos supercapacitores
de 1500 y 3000 faradios, con un peso que va del kilo y
medio a los tres kilogramos.
Por un lado la pseudocapacitancia (nuevo modelo de
almacenaje de energía eléctrica) es la acumulación de
carga en los supercapacitores principalmente los de
carbono con disolución electrolítica de un metal, esta
era producida por la deficiencia electrónica producto
de la interacción de los iones metálicos con el medio
de carbono. Depende del voltaje por eso se debe
modelar correctamente, se aumenta la capacitancia
con una delgada capa de material aislante entre las
interfaces de carbono.
Estudiar la concentración del electrólito y la naturaleza
de los electrodos (denominación común de las barras
conductoras) así como la naturaleza de la capa del
aislante. Los electrólitos recomendados para la
construcción de supercapacitores son los hidróxidos de
sodio y potasio y se reporta que hay un aumento de la
capacitancia hasta un punto crítico en 2 y 10 molar
respectivamente; sin embargo, el aumento de la
concentración trae consigo un aumento constante de
la resistencia interna del dispositivo. Por consecuencia,
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la presencia de la interfaz de carbono incrementa la
capacitancia únicamente sí la porosidad promedio del
medio es máxima por lo que los diseños de nanotubos
y nanoespumas son fundamentales para el desarrollo
de supercapacitores. Por último se reporta que la capa
ideal debe de oscilar entre los 50 a los 200
micrómetros.
Actualmente los supercapacitores se encuentran
clasificados por el tipo de material con que están
construidos, se tienen cuatro tipos importantes:
electrolíticos de interfaz de carbono de doble capa,
Supercapacitores no electrolíticos de interfaz de
carbono de doble capa, Supercapacitores acuosos de
óxido de doble capa con pseudocapacitancia redox,
Supercapacitores de polímeros conductores.
Una celda electroquímica, eléctricamente regenerable
para desionización capacitiva y purificación
electroquímica y regeneración de electrodos, incluye
dos placas de extremo, una en cada celda. Se colocan
dos electrodos en cada extremo de la celda adyacente
a las placas, una capa aislante se interpone entre cada
placa y el electrodo de extremo adyacente. Cada
electrodo de extremo incluye una lámina única de
material conductor que tiene un área superficial y
capacidad de sorción altamente específica.
En una modalidad, la lámina de material conductor se
forma de un compuesto de aerogel de carbono, la
celda incluye además una pluralidad de electrodos
intermedios de doble lado, generalmente idénticos que
están separados de manera equidistante entre sí, entre
los dos electrodos de extremo, conforme el electrólito
entra a la celda fluye a través de un canal de
serpentina abierto continuo definido por los
electrodos; sustancialmente paralelo a la superficie de
los electrodos. Al polarizar la celda se eliminan los
iones del electrólito y se mantienen en las capas dobles
eléctricas formadas en las superficies de aerogel de
carbón de los electrodos, en la medida en que la celda
se captura con los iones retirados, la celda se regenera
eléctricamente lo que ayuda a minimizar de manera
significativa residuos secundarios.
Tienen distintas aplicaciones como ejemplo:
automóviles
híbridos,
apoyo
energético,
almacenamiento de energía, sistema de transferencia
de potencia. Al referirnos al tema de almacenamiento
de energía y sus recientes avances en condensadores
electroquímicos, abren nuevas oportunidades para
-
conseguir dispositivos de desalación de agua con una
elevada eficiencia energética.
Debido a que las tecnologías existentes para la
desalación de aguas duras, salobres y marinas
requieren consumos elevados de energía por cada
metro cúbico de agua tratada, incluso en el caso de la
mejor tecnología disponible en este momento, la
ósmosis inversa. A este problema hay que añadir
además las considerables inversiones que se necesitan
para construir las plantas de desalación.
La desionización capacitiva se presenta como una
alternativa tecnológica a la ósmosis inversa por ser un
procedimiento de baja presión y que no necesita
utilizar membranas, que son probablemente las dos
mayores limitaciones de la ósmosis inversa.
Durante la etapa de desionización, se aplica una carga
eléctrica externa sobre un par de electrodos
sumergidos en el agua a tratar, lo que hace que los
iones disueltos en el agua se desplacen hacia el
electrodo de signo contrario, donde quedan
absorbidos. En la etapa de regeneración se corta la
alimentación eléctrica a los electrodos con lo que los
iones retenidos quedan liberados. Si durante este
proceso los electrodos se conectan a un circuito
eléctrico externo, se produce una corriente eléctrica,
igual que sucede durante la descarga de un
condensador.
Los primeros estudios realizados hace 40 años, revelan
que esta tecnología podría ser una opción viable para
desalar agua a bajo costo. Anteriormente no se
disponía de los materiales adecuados pero hoy en día
con los últimos avances de la investigación en
condensadores electroquímicos, es posible utilizar
electrodos que podrían proporcionar las prestaciones
suficientes como para hacer que los sistemas de
desionizacion capacitiva tengan una aplicación
práctica fuera de los laboratorios experimentales y de
investigación.
Se comenzó a trabajar
con un proyecto de
investigación en el que la empresa PROINGESA y las
fundaciones IMDEA energía e IMDEA agua están
abordando un dispositivo de desionización capacitiva
con bajos costos basado en el uso de nanomateriales
que se han estado desarrollando para los
condensadores
electroquímicos
de
últimas
generaciones. En especial este proyecto lo viene
financiando el ministerio de industria, turismo y
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comercio dentro de la acción estratégica de energía y
cambio climático del plan nacional de investigación y
desarrollo . El esquema básico de funcionamiento de
este proceso es el siguiente:
Figura 1. Representación esquemática del concepto de Desionización
Capacitiva.
Siendo entonces el objetivo principal del proyecto
desarrollar un sistema de desalación de agua utilizando
la desionización capacitiva, un proceso a baja presión
que puede competir con procesos actuales como son
de membrana o destilación para producir agua de
iones a bajo costo.
Para dar una idea, el proceso funciona secuestrando
iones en la superficie de la doble capa de un electrodo
cargado eléctricamente. Si se sabe que los iones
quedan almacenados en una superficie cargada, el
dispositivo es capaz de almacenar energía exactamente
igual que un condensador electroquímico. En este
nuevo proyecto se utilizan materiales nanoporosos
más eficientes y un nuevo sistema de regeneración
para conseguir un importante aumento de eficiencia
energética, haciendo que estos dispositivos sean aún
más competitivos frente a tecnologías como la ósmosis
inversa y la destilación multietapa.
La mayoría de países que utilizan el
desalación para hacer frente a la falta
hídricos, es un hecho real y entre los
destacan son: Oriente Medio seguido
unidos y España.
recurso de
de recursos
que más se
de Estados
Conclusiones
Actualmente se buscan alternativas tecnológicas de
gran ayuda para el gran problema que se presenta a
nivel mundial como son: el calentamiento global, la
sequía y la falta de recursos hídricos, debido a los
últimos avances se encontró un mecanismo de
desarrollo amigable con el medio ambiente y son los
llamados condensadores electroquímicos.
Los condensadores electroquímicos también son
conocidos como superconductores y poseen densidad
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de energía alta, tienen mayor número de milifaradios a
menor voltaje de trabajo.
La pseudocapacitancia es la acumulación de carga en
los supercapacitores principalmente en los de carbono
con disolución electrolítica de un metal a medida que
reducimos la placa aisladora mayor capacitancia.
En la actualidad se tienen sistemas de desalación de
agua efectivos como el de membrana u ósmosis
inversa,
evaporación
multietapa,
evaporación
multiefecto y electrodiálisis pero los recursos son
costosos y requieren mayor demanda de energía,
utilizando el superconductor ahorraremos lo anterior
en gran cantidad y será favorable para el medio
ambiente.
Bibliografía
Condensadores electroquímicos para la desalación de
agua, FUENTE | IMDEA Energía - mi+d,
19/01/2009.mi+d, un lugar para la ciencia y la
tecnología.
Consulting & design engineering energy . Archivos de
la categoria de la “desalinizacion” El mercado mundial
de la desalación 20/04/2009. FUENTE – Soliclima –
20/04/09.Experiment Shows Desalination Plants Could
Produce Hydrogen. 03/04/2009
Purificación de agua mediante procesos capacitivos.
Participantes: Fundación IMDEA Energía; PROINGESA;
Fundación IMDEA Agua Financiación. Investigador
Principal: Jesús Palma Contacto:
[email protected].
Proyecto de investigación de referencia: ECC 5900002008-130 dentro de la “Acción Estratégica de Energía y
Cambio Climático” del Plan Nacional de Investigación
Científica, Desarrollo e Innovación Tecnológica 20082011.Método y aparato para desionizacion capacitiva y
purificación electroquímica, y regeneración de
electrodos.
PatentesOnline.com.mx.http://www.patentesonline.co
m.mx/metodo-y-aparato-para-desionizacioncapacitiva-y-purificacion-electroquimica-yregeneracion-51513.html
Informe 2008-2009 Desalination yearbook, elaborado
por la Asociación Internacional de Desalación (IDA) y la
publicación inglesa Global Water Intelligence.