Depuración de aguas residuales con electricidad y luz
La mayoría de las instalaciones europeas de tratamiento de aguas residuales ya están muy desarrolladas, pero existe una preocupación creciente por los contaminantes emergentes, que son difíciles de eliminar mediante los tratamientos biológicos convencionales. Entre ellos se incluyen contaminantes emergentes como las sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas, los fármacos y los genes de resistencia a los antimicrobianos. El vanadato de bismuto (BiVO4) es un material único que resulta prometedor para eliminar dichos contaminantes del agua. Al entrar en contacto con la luz y la electricidad, el BiVO4 degrada los contaminantes mediante un proceso conocido como oxidación fotoelectroquímica (OFE). «El vanadato de bismuto es un material muy interesante para el tratamiento del agua impulsado por energía solar, ya que absorbe la luz visible», explica Sanjeeb Mohapatra, beneficiario de una beca Marie Skłodowska-Curie(se abrirá en una nueva ventana) en la Universidad Tecnológica de Delft(se abrirá en una nueva ventana) (TU Delft). Cuando la luz incide sobre el BiVO4, genera electrones con carga negativa y «huecos» con carga positiva en el material. Esos huecos deben llegar a la interfaz entre el electrodo y el agua para reaccionar con los contaminantes. Sin embargo, un número significativo de ellos simplemente se ve atraído por los electrones y vuelve a combinarse con ellos antes de poder desempeñar su función. «El reto fundamental es cómo aprovechar mejor la energía solar que absorbe el BiVO4, mejorando la separación de cargas, el transporte de cargas y las reacciones superficiales», añade Mohapatra. A través del proyecto SOLUTION, financiado con fondos europeos, Mohapatra trabajó en una solución a este problema, desarrollando un recubrimiento para la superficie del BiVO4 que mejora el flujo de carga del «fotoánodo» en su conjunto —el material activado por la luz y el recubrimiento combinados—. «El enfoque que adopté consistió en diseñar el fotoánodo de tal manera que las cargas fotogeneradas pudieran separarse y transferirse de forma más eficiente, a la vez que se mejoraban las reacciones que tienen lugar en la superficie», explica.
Desarrollo de un nuevo material para el fotoánodo con el fin de aumentar la eficiencia del tratamiento de aguas residuales
A lo largo del proyecto, Mohapatra y sus homólogos desarrollaron y optimizaron el fotoánodo mediante una combinación de síntesis de materiales, caracterización electroquímica y ensayos de rendimiento. «Investigamos de forma sistemática cómo la composición y la estructura del material afectaban a la transferencia de carga y a los contaminantes —como la degradación de los productos farmacéuticos— y utilizamos esta información para optimizar el electrodo», señala Mohapatra. Los investigadores también salieron del laboratorio y probaron la tecnología con aguas residuales reales, incluidos los efluentes de alcantarillado. «Eso era importante porque las aguas residuales reales contienen muchos componentes orgánicos e inorgánicos diferentes que pueden competir por las especies reactivas generadas en el fotoánodo», explica Mohapatra.
Demostración de un mejor rendimiento en la eliminación de fármacos
El resultado más importante fue demostrar un mejor rendimiento del sistema de OFE, al abordar las limitaciones fundamentales del propio fotoánodo. «Pudimos establecer la relación entre las propiedades del material y la eliminación de sustancias farmacéuticas», señala Mohapatra. «Eso es importante desde el punto de vista científico, ya que nos permite comprender mucho mejor las razones por las que el material ofrece un mejor rendimiento y cómo se puede optimizar aún más». Mohapatra también destaca la importancia de probar la tecnología en condiciones reales de aguas residuales, ya que se trata de un escenario de ensayo mucho más complejo que el del laboratorio. «Demostrar el rendimiento en condiciones realistas acerca la tecnología un paso más a su aplicación práctica», añade.
Mejora del tratamiento de las aguas residuales en la Unión Europea
La principal oportunidad radica en que esta tecnología complemente, en lugar de sustituir de inmediato, el tratamiento convencional de las aguas residuales. Nuestro trabajo contribuye a ese objetivo a largo plazo mediante el desarrollo de materiales de fotoánodo más eficientes que podrían reducir los requisitos energéticos y operativos del tratamiento impulsado por energía solar. «El proyecto ha demostrado que el tratamiento fotoelectroquímico impulsado por energía solar tiene potencial como tecnología complementaria para la eliminación de sustancias farmacéuticas de las aguas residuales», afirma Mohapatra.
