Clarificación de agua con generación de energía eléctrica en una celda galvánica Al-H2O2
DOI:
https://doi.org/10.18041/1794-4953/avances.1.5106Palabras clave:
clarificación de agua, energía eléctrica, electroquímica, aluminio, H2O2Resumen
La generación de energía eléctrica por oxidación de aluminio produce el catión Al3+ y especies como Al(OH)3, responsables de inducir la floculación en tratamientos de agua. Este artículo busca evidenciar que una celda galvánica Al-H2O2 puede desestabilizar los sólidos suspendidos del agua empleada como electrolito de la celda, para describir un proceso de clarificación que genera energía eléctrica en lugar de consumirla. Se elaboró una celda galvánica con ánodo de aluminio, cátodo de grafito, H2O2 como oxidante y una suspensión de arcilla en solución KCl como electrolito que simuló el agua objeto de tratamiento; se evaluó la eliminación de turbidez en la suspensión, la diferencia de potencial y la corriente eléctrica generada. El sistema propuesto eliminó turbidez del agua por floculación y disolución, a la vez que generó en promedio 0,613 V y 8,51 C entregados a una intensidad media de 157 µA. La hidrólisis de aluminio eliminó por floculación el 88,9 ± 1 % de turbiedad y mejoró al 96,6 ± 1 % al añadir H2O2, el cual solubilizó partículas suspendidas, estimuló la liberación de corriente eléctrica y mitigó la caída de voltaje. De esta manera, se presenta un sistema de obtención de energía eléctrica a partir de un tratamiento primario de agua, inducido por subproductos de una transformación directa de energía química a eléctrica.
Descargas
Referencias
A. M. Hamiche y A. B. Stambouli, “A review of the water-energy nexus”, Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 65, pp. 319-331, Nov. 2016, https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.07.020.
World Health Organization, Guidelines for Drinking-Water Quality, 4th ed., Geneva, Switzerland: WHO, 2018.
D. Mara, J. Lane, B. Scott y D. Trouba, “Sanitation and health”, PLoS Med., vol. 7, n.º 11, e1000363, Nov. 2010, https://doi.org/10.1371/journal.pmed.1000363.
Organización Mundial de la Salud, Agua, saneamiento e higiene para acelerar y sostener el progreso respecto de las enfermedades tropicales desatendidas: una estrategia mundial 2015-2020, Geneva, Switzerland: WHO, 2015.
Organización Panamericana de la Salud, Agua y saneamiento: Evidencias para políticas públicas con enfoque en derechos humanos y resultados en salud pública, Washington D. C., USA: WHO, 2011.
Y. Gu, Y. Li, X. Li, P. Luo, H. Wang, Z. P. Robinson, X. Wang, J. Wu y F. Li, “The feasibility and challenges of energy self-sufficient wastewater treatment plants”, Appl. Energy, vol. 204, pp. 1463-1475, Oct. 2017, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.02.069.
V. G. Gude, “Energy and water autarky of wastewater treatment and power generation systems”, Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 45, pp. 52-68, May. 2015, https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.01.055.
X. Yang, Z. Fan, H. Zhang, W. Xu y Z. Wu, “Energy harvest from contaminants via coupled redox fuel cells”, Energy Procedia, vol. 205, pp. 1852-1857, May. 2017, https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.03.542.
N. Diaz-Elsayed, N. Rezaei, T. Guo, S. Mohebbi y Q. Zhang, “Wastewater-based resource recovery technologies across scale: A review”, Resour. Conserv. Recycl., vol. 145, pp. 94-112, Jun. 2019, https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2018.12.035.
E. Butler, Y. Hung, R. Y. Yeh y M. S. Al Ahmad, “Electrocoagulation in wastewater treatment”, Water, vol. 3, n.º 1, pp. 495-525, Apr. 2011, https://doi.org/10.3390/w3020495.
E. I. Shkolnikov, A. Z. Zhuk y M. S. Vlaskin, “Aluminum as energy carrier: Feasibility analysis and current technologies overview”, Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 15, n.º 9, pp. 4611-4623, Dec. 2011, https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.07.091.
G. A. Elia, K. Marquardt, K. Hoeppner, S. Fantini, R. Lin, E. Knipping, W. Peters J. F. Drillet, S. Passerini y R. Hahn, “An overview and future perspectives of aluminum batteries”, Adv. Mater., vol. 28, n.º 35, pp. 1-16, Jun. 2016, https://doi.org/10.1002/adma.201601357.
Q. Li y N. J. Bjerrum, “Aluminum as anode for energy storage and conversion: a review”, J. Power Sources, vol. 110, n.º 1, pp. 1-10, Jul. 2002, https://doi.org/10.1016/S0378-7753(01)01014-X.
J. Bratby Coagulation and Flocculation with Water and Wastewater Treatment. 3rd ed., London, UK: IWA Publishing, 2016.
C. Y. Teh, P. M. Budiman, K. P. Y. Shak y T. Y. Wu “Recent advancement of coagulation− flocculation and its application in wastewater treatment”, Ind. Eng. Chem. Res., vol. 55, n.º 16, pp. 4363-4369, Mar. 2016, https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5b04703.
M. C. Collivignarelli, R. Pedrazzani, S. Sorlini, A. Abbà y G. Bertanza, “H2O2 based oxidation processes for the treatment of real high strength aqueous wastes”, Sustainability, vol. 9, n.º 2, pp. 553-560, Feb. 2017, https://doi.org/10.3390/su9020244.
L. An, T. Zhao, X. Yan, X. Zhou y P. Tan, “The dual role of hydrogen peroxide in fuel cells”, Sci. Bull., vol. 60, n.º 1, pp. 55-64, Jan. 2015, https://doi.org/10.1007/s11434-014-0694-7.
N. B. Pulsone, D. P. Hart, A. M. Siegel, J. R. Edwards y K. E. Railey, “Aluminum-water energy system for autonomous undersea vehicles”. Lincoln Lab. J., vol. 22, n.º 2, pp. 79-90. [en línea]. Disponible: https://www.ll.mit.edu/sites/default/files/page/doc/2018-06/22_2_5_Pulsone.pdf
O. Hasvold, K. H. Johansen y K. Vestgaard, “The alkaline aluminium hydrogen peroxide semi-Fuel Cell for the Hugin 3000 autonomous underwater vehicle”, presented at the Proc. 2002 Workshop Autonomous Underw. Vehicles, San Antonio, TX, USA, Jun. 21, 2002. https://doi.org/10.1109/AUV.2002.1177209.
D. J. Brodrecht y J. J. Rusek “Aluminum–hydrogen peroxide fuel-cell studies”, Appl. Energy, vol. 74, n.º 1-2, pp. 113-124, Jan.-Feb. 2003, https://doi.org/10.1016/S0306-2619(02)00137-X.
L. C. Alfonso y B. A. Ordóñez, “Implementación de oxidantes (MIOX, NaClO, H2O2) para el mejoramiento de los procesos de coagulación y floculación de aguas residuales en la planta de tratamiento de aguas residuales El Salitre”, B. S. thesis, Proy. Curric. Lic. Quím., Univ. Dist. Francisco José de Caldas, Bogotá, Colombia, 2014.
S. A. Khaleefa-Ali “Dye removal from wastewater”, Int. J. Sci. Res. Sci. Eng. Technol, vol. 3, n.º 5, pp. 20-26, Jul.-Aug. 2017. [En línea]. Disponible: http://ijsrset.com/paper/2728.pdf
World Health Organization, Water Quality and Health-Review of Turbidity: Information for regulators, 2017. [En línea]. Disponible: https://apps.who.int/iris/bitstream/handle/10665/254631/WHO-FWC-WSH-17.01-eng.pdf
W. Zhang, X. Tang, Q. Xian, N. Weisbrod, J. E. Yang y H. Wang, “A field study of colloid transport in surface and subsurface flows”, J. Hydrol., vol. 542, pp. 101-114, Nov. 2016, https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2016.08.056.
L. E. Gualdrón, “Evaluación de la calidad de agua de ríos de Colombia usando parámetros fisicoquímicos y biológicos”, Din. Ambient., n.º 1, pp. 83-102, Dec. 2018, https://doi.org/10.18041/2590-6704/ambiental.1.2016.4593
R. F. Benson, A. M. Cárdenas y L. C. Langebrake, “Aluminum and solid alkali peroxide galvanic cell”, US Patent 7 855 015, Dec. 21, 2010 [En línea]. Disponible: https:// patents.google.com/patent/US7855015
D. Raptis, A. K. Seferlis, V. Mylona, C. Politis y P. Lianos, “Electrochemical hydrogen and electricity production by using anodes made of commercial aluminum”, Int. J. Hydrogen Energy, vol. 44, n.º 3, pp. 1359-1365, Jan. 2019, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.11.202.
A. Silberman, V. Kalzuzhny, I. Cantero, M. Bengoechea y J. Blazquez, “Al/H2O2 battery”, Jun. 15, 2011 [En línea]. Disponible: https:// patents.google.com/patent/EP2333884A1/en
V. Shmelev, V. Nikolaev, J. H. Lee y C. Yim, “Hydrogen production by reaction of aluminum with water”, Int. J. Hydrogen Energy, vol. 41, n.º 38, pp. 16664-16673, Oct. 2016, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.05.159.
M. T. Baile, “Estudio del comportamiento frente a la corrosión”, en Estudio de la conformación de componentes aluminio-silicio en estado semisólido., Doctoral thesis, Dept. Cienc. Mater., Univ. Politèc. Catalunya, Barcelona, España, 2005 [En línea]. Disponible: http://hdl.handle.net/2117/93359
J. Saukkoriipi, “The hydrolysis of aluminum in aqueous environments”, en Theoretical study of the hydrolysis of aluminum complexes, Oulu, Finlandia: Acta Univ. Oul., 2010. [En línea]. Disponible: http:// jultika.oulu.fi/files/isbn9789514261831.pdf
C. Exley, “The toxicity of aluminium in humans”, Morphologie, vol. 100, n.º 329, pp. 51-55, Jun. 2016, https://doi.org/10.1016/j.morpho.2015.12.003.
S. D. W. Comber, M. J. Gardner y J. Churchley, “Aluminium speciation: implications of wastewater effluent dosing on river water quality”, Chem. Speciat. Bioavailab., vol. 17, n.º 3, pp. 117-128, 2005, https://doi.org/10.3184/095422905782774874.
L. L. Zeng, Z. S. Hong, C. Wang y Z. Z. Yang, “Experimental study on physical properties of clays with organic matter soluble and insoluble in water”, Appl. Clay. Sci., vol. 132-133, pp. 660-667, Nov. 2016, https://doi.org/10.1016/j.clay.2016.08.018.
S. Rihs, A. Gontier, E. Lascar, A. Biehler, y M. P. Turpault, “Effect of organic matter removal on U-series signal in clay minerals”, Appl. Clay. Sci., vol. 147, pp. 128-136, Oct. 2017, https://doi.org/10.1016/j.clay.2017.07.016.
R. Mori, “Electrochemical properties of a rechargeable aluminum–air battery with a metal–organic framework as air cathode material”, RSC Adv., vol. 7, n.º 11, pp. 6389-6395, Jan. 2017, https://doi.org/10.1039/c6ra25164a.
R. Mckerracher, A. Holland, A. Cruden, y R. G. A. Wills, “Comparison of carbon materials as cathodes for the aluminium-ion battery”, Carbon, vol. 144, pp. 333-341, Apr. 2019, https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.12.021.
Publicado
Número
Sección
Licencia
Derechos de autor 2019 Avances: Investigación en Ingeniería
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0.
