Academia Mexicana de Ciencias
Boletín AMC/250/18
Ciudad de México, 30 de octubre de 2018

• Por el momento, las tasas de generación de energía de este tipo de sistemas son bajas, sin embargo, se espera que a corto plazo se pueda producir suficiente energía eléctrica para reducir la demanda energética de las plantas de tratamiento de agua residual.

Representación esquemática de la celda de combustible microbiana utilizada para mejorar el tratamiento del agua residual y generar bioenergía.
Imagen: Tomada de López Zavala et al., 2018.
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Limpiar el agua residual y obtener bioenergía al mismo tiempo es posible con la utilización de celdas de combustible microbianas, las cuales utilizan microorganismos para convertir la materia orgánica del agua residual en energía eléctrica y son objeto de estudio de diversos grupos de investigadores con miras a mejorar esta tecnología.

El trabajo que realiza Miguel Ángel López Zavala, del Centro del Agua para América Latina y el Caribe, una iniciativa del Tecnológico de Monterrey, la Fundación FEMSA y el Banco Interamericano de Desarrollo, está enfocado en el mejoramiento de los procesos biológicos de tratamiento de las aguas residuales, en específico en los que emplean sistemas como las celdas de combustible microbianas y las celdas electrolíticas microbianas para generar energía.

En entrevista, el doctor en filosofía en el campo de ingeniería urbana y ambiental por la Universidad de Hokkaido, Japón, e integrante de la Academia Mexicana de Ciencias explicó que una celda de combustible microbiana es un sistema de tratamiento de aguas residuales que busca aprovechar los electrones y protones positivos de hidrógeno (H+) —los cuales se generan durante la oxidación biológica del agua residual— para producir energía eléctrica mediante el uso de electrodos y un circuito eléctrico externo.

Agregó que existen muchas configuraciones y variantes, entre ellas la de una cámara o la de doble cámara, por la que se ha inclinado el investigador y su grupo, la cual requiere de una membrana de intercambio de protones —de material polimérico sintético— que une ambas cámaras.

Acerca de las ventajas de este tipo de sistemas López Zavala señaló que son amigables con el ambiente y no implican ningún riesgo para la población, tienen altas tasas de degradación, es decir, eficiencia de tratamiento, arriba de 75% en sistemas convencionales, o por arriba de 95% con las innovaciones que el investigador ha incorporado, como el uso de ácido clorhídrico como electrolito y catalizador.

“Tenemos que optimizar el proceso biológico para generar la mayor cantidad de electricidad y evitar perder energía, para ello es necesario utilizar electrolitos y catalizadores, en nuestro caso elegimos el ácido clorhídrico porque potencializa la degradación de la materia orgánica del agua residual que realizan los microorganismos y favorece la trasferencia de electrones, lo que se traduce en una mayor producción de energía eléctrica”.

En lo que se refiere a los porcentajes de eficiencia significan que, si el agua residual tiene 400 gramos de materia orgánica por litro, los valores después del tratamiento pueden ser en promedio de 5 miligramos de materia orgánica por cada litro.

De esta manera, estos sistemas cumplen con la Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEMARNAT-1996, que establece los límites máximos de contaminantes para las aguas que se van a descargar en ríos, arroyos o suelos; y con la NOM-003-SEMARNAT-1996 para reúso en servicios públicos.

Sin embargo, López Zavala señaló que existen varios retos en la operación de estos sistemas, uno de ellos es la membrana de intercambio de protones que une a las dos cámaras que conforman las celdas de combustible microbianas, porque las que existen no son del todo eficientes y su precio es elevado.

Además, las celdas de combustible microbianas de doble cámara son una tecnología en etapas tempranas de desarrollo tecnológico, por lo que las tasas de generación de energía todavía son bajas. En la literatura se han reportado densidades de potencia que varían entre 26 y 146 miliwatts por metro cuadrado de electrodo (unidad que se utiliza para valorar la eficiencia de los sistemas). “En nuestro caso, con las innovaciones que hemos implementado hemos generado hasta 2.1 watts por metro cuadrado de electrodo”.

Estos 2.1 watts equivalen a producir alrededor de 37 watts por metro cúbico de agua residual, capaces de alimentar un foco de 30 watts y potencialmente uno de 40 watts, esto con el uso de accesorios y convertidores eléctricos disponibles en el mercado.

Por lo anterior, el doctor Miguel Ángel López Zavala espera que a corto plazo sea posible producir suficiente energía eléctrica que tenga aplicaciones prácticas, por ejemplo, para reducir la demanda energética de las plantas de tratamiento, lo que las convertiría en sistemas más sustentables, ya que contribuiría a reducir el consumo de combustibles fósiles y con ello la huella de carbono.

Para este proyecto, que es parte de un convenio de la Universidad de Hokkaido y la compañía japonesa Hitachi Chemical, el investigador y su equipo trabajan en el laboratorio con reactores de dos cámaras de 250 mililitros, una escala con la que es posible tener mayor control de diversas variables involucradas en los procesos de tratamiento y generación de energía eléctrica; sin embargo, “estamos por escalar los sistemas a cámaras de 40 litros, lo que nos van a permitir evaluar diferentes parámetros para su escalamiento a sistemas reales”, sostuvo el integrante de la International Water Association y de la American Water Works Association.

Noemí Rodríguez González.