Si uno viese (y oliese) los gases procedentes de una combustión y de una digestión anaerobia, no encontraría muchos parecidos aparte del estado de la materia en el que se hallan. En realidad, ambos tienen un componente en común que es inodoro, incoloro e insípido: el dióxido de carbono, compuesto por un átomo de carbono y dos de oxígeno (CO2). Es un componente natural de la atmósfera, con una concentración media de alrededor de 420 mg/L y juega un papel esencial en procesos biológicos como la fotosíntesis y la respiración.
Molécula de dióxido de carbono (CO2) y de oxígeno (O2)
Desde el punto de vista físico-químico, el CO2 presenta propiedades versátiles. A temperatura y presión ambiente se encuentra en estado gaseoso, pero puede licuarse a presiones superiores a 15 bar a -20 °C. El dióxido de carbono (CO₂) presenta una característica peculiar: a presiones atmosféricas normales puede pasar directamente del estado gaseoso al sólido sin pasar por el estado líquido. Este proceso se conoce como sublimación inversa. Gracias a esta propiedad, el CO₂ se utiliza en forma de “hielo seco”, que se encuentra a una temperatura de –78,5 °C, y se emplea ampliamente en refrigeración y transporte de productos sensibles a la temperatura.
Estas transiciones de fase del CO₂ son aprovechadas en diversas industrias, como la alimentaria y la farmacéutica, debido a su eficiencia y seguridad en la conservación de productos.
En términos industriales, el CO2 se utiliza ampliamente en procesos como carbonatación de bebidas, inertización de atmósferas, soldadura, extinción de incendios y como fluido en tecnologías emergentes como la captura y almacenamiento de carbono (CCS por sus siglas en inglés). También es un gas clave en la producción de biocombustibles y en la generación de energía, donde se emplea en estado supercrítico (por encima de 31 °C y 74 bar) gracias a sus propiedades únicas de solubilidad y densidad.
Diferencia entre sólido, líquido y fluido.
Sin embargo, el CO2 es también un gas de efecto invernadero con alto impacto climático, por lo que su gestión adecuada resulta fundamental. Innovaciones en su captura, reutilización y valorización están abriendo nuevas oportunidades para reducir emisiones, convertirlo en productos útiles y avanzar hacia una economía más sostenible y circular.
Por eso, desde CARTIF consideramos que poder atrapar el CO2 en su origen es del más alto interés. En este caso, nos hemos centrado tanto en el CO2 procedente de la formación de biogás, como en el CO2 proveniente de la combustión de biomasa.
En la formación de biogás, el CO2 se produce a través de procesos anaerobios, donde microorganismos descomponen la materia orgánica en ausencia de oxígeno. En esta digestión anaerobia, las bacterias transforman polisacáridos y grasas en una mezcla de metano (CH4) y dióxido de carbono. El biogás típico contiene entre un 30-45% de CO2, el cual no solo es un subproducto inevitable, sino que también influye en el poder calorífico del biogásdebido a que es un gas inerte energéticamente, es decir, no participa en la combustión y, por lo tanto, no aporta energía. Cuanto mayor sea la proporción de CO2 en la mezcla, menor será la concentración de CH4, que es el componente combustible responsable del contenido energético. Un biogás típico con 60-70% de metano tiene un poder calorífico de 20-25 MJ/m³, mientras que, si el contenido de CO₂ aumenta y el metano disminuye, este valor puede reducirse significativamente, afectando la eficiencia en calderas, motores y turbinas.
«Un biogás típico con 60-70% de metano tiene un poder calorífico de 20-25 MJ/m3 «
En la combustión de biomasa, el CO2 se genera a partir de la oxidación del carbono contenido en materiales orgánicos como residuos agrícolas, forestales o pellets. Durante la reacción, el carbono (C) presente en la biomasa se combina con el oxígeno (O2) del aire, liberando energía en forma de calor y produciendo dióxido de carbono (CO2) y vapor de agua (H2O). Este proceso es rápido y ocurre a altas temperaturas, siendo la base de tecnologías como calderas y plantas de cogeneración. En la combustión de biomasa, la concentración típica de CO2 en los gases de combustión suele situarse entre 3% y 15% en volumen, dependiendo del tipo de biomasa, la cantidad de oxígeno disponible y la eficiencia del proceso. Este valor es relativamente bajo porque, además de CO2, los gases contienen una gran cantidad de nitrógeno (N2) procedente del aire de combustión, así como vapor de agua, oxígeno residual y pequeñas trazas de monóxido de carbono (CO) y otros compuestos.
Bienvenido a la solución, tenemos membranas y contactores
La solución propuesta desde CARTIF consiste en el uso de un sistema de contactores de membrana, la cual puede separar el CO2 de una corriente de múltiples gases, siendo capaz de obtener una salida con CO2 de alta pureza.
Un contactor de membranas es una tecnología avanzada utilizada para separar y purificar gases, en este caso, para la captura y concentración de CO2 a partir de corrientes gaseosas. Su funcionamiento se basa en el principio de transferencia de masa a través de una membrana hidrofóbica, que actúa como barrera física entre la corriente gaseosa y un líquido absorbente que reacciona selectivamente con el CO2.
El sistema está compuesto por un módulo con miles de fibras huecas de material polimérico. El gas que contiene CO₂ mezclado con otros componentes, circula por un lado de la membrana (normalmente el interior de las fibras), mientras que el líquido absorbente fluye en contracorriente por el lado opuesto. Gracias a la naturaleza hidrofóbica de la membrana, esta impide el paso del líquido, pero permite que el CO₂ se difunda a través de sus poros, impulsado por un gradiente de presión parcial. Una vez que el CO2 atraviesa la membrana, es capturado por el absorbente líquido, que en nuestro caso puede variar entre agua destilada o una disolución de NaOH. Este proceso ofrece alta selectividad, ya que otros gases como el metano no atraviesan los poros de la membrana y permanecen en la corriente gaseosa, obteniéndose así un gas purificado con menor concentración de CO2.
Esquema de contactores de membrana. Fuente: https://www.researchgate.net/figure/Schematic-representation-of-the-HFMC-for-CO2-absorption_fig1_379710499
Posteriormente, el líquido saturado con CO2 se dirige a una etapa de regeneración, donde, mediante una bajada de presión, se libera el CO2 puro, mientras que el líquido absorbente se recicla para volver al primer contactor. El CO2 recuperado puede ser almacenado, comprimido o reutilizado en procesos industriales como carbonatación, inertización o producción de combustibles sintéticos.
¿Y el CO2 obtenido?
El sistema de contactores de membranas para la extracción de CO2 de corrientes gaseosas ha sido testeado en el Centro con buenos rendimientos de separación, por lo que a partir de este momento se ha decidido añadir a nuestra planta piloto un sistema de compresión de CO2 para almacenarlo en botellas en forma gaseosa, con el fin de poder utilizarlo en diferentes aplicaciones industriales (carbonatación de bebidas, crecimiento de microalgas, síntesis de otras moléculas, etc.).
Un compresor de CO2 funciona aumentando la presión del gas mediante la reducción progresiva de su volumen a través de una o varias etapas de compresión. En cada etapa, un pistón reduce el espacio ocupado por el CO2, elevando su presión y temperatura. Para evitar sobrecalentamientos, el gas se suele enfriar entre etapas mediante intercambiadores de calor. Este proceso permite llevar el CO2 desde condiciones cercanas a la atmosférica hasta presiones de almacenamiento con el fin de evitar la licuefacción del mismo.
Por ello, el sistema está diseñado para mantener la temperatura y presión en rangos seguros, asegurando que el CO2 permanezca en fase gaseosa durante todo el proceso. Esto permite una operación más estable, segura y económica, especialmente en proyectos piloto o de reutilización de CO2, donde la simplicidad y fiabilidad son clave.
Conclusiones: del residuo climático al recurso estratégico
El dióxido de carbono (CO2) es uno de los principales gases de efecto invernadero, cuya concentración atmosférica ha aumentado significativamente debido a actividades humanas como la quema de combustibles fósiles y ciertos procesos industriales. Reducir estas emisiones es clave para mitigar el cambio climático y avanzar hacia un modelo productivo más sostenible. Sin embargo, el CO₂ no debe verse únicamente como un residuo, sino como un recurso valioso que puede ser capturado, purificado y reutilizado en diferentes sectores dentro de una economía circular.
En este contexto, la tecnología de contactores de membranas se presenta como una solución innovadora y eficiente para la purificación de CO2. Estos sistemas permiten separar el dióxido de carbono de mezclas gaseosas como el biogás o los gases de combustión mediante un proceso físico-químico basado en membranas hidrofóbicas y un líquido absorbente selectivo. Su diseño modular ofrece una gran superficie de contacto en un espacio reducido, mejorando la eficiencia y reduciendo el consumo energético frente a métodos tradicionales. Gracias a esta técnica, es posible obtener CO₂ de alta pureza mientras otros gases, como el metano, permanecen libres de contaminantes y listos para su aprovechamiento.
Una vez purificado, el CO2 debe almacenarse de manera segura. Para ello, se emplean sistemas de compresión y almacenamiento en botellas de gas, diseñados para mantener el CO2 en fase gaseosa, evitando su licuefacción. Esto implica comprimirlo hasta presiones controladas, generalmente entre 15 y 20 bar, mediante compresores multietapa que aseguran la estabilidad y seguridad del proceso. El gas comprimido se almacena en racks de botellas que permiten su transporte y utilización posterior. Este paso es fundamental no solo para garantizar la integridad del equipo, sino también para cumplir con normativas de seguridad industrial.
El CO2 capturado y almacenado puede tener múltiples aplicaciones industriales, desde la carbonatación de bebidas y la conservación de alimentos, hasta su uso en procesos de soldadura, extinción de incendios o como materia prima en la producción de combustibles sintéticos y productos químicos. De esta manera, lo que antes se consideraba un desecho pasa a convertirse en un insumo con valor añadido. Este enfoque es un claro ejemplo de economía circular, donde se cierran ciclos productivos, se reducen emisiones y se fomenta la eficiencia en el uso de recursos.
En definitiva, la integración de tecnologías de captura como los contactores de membranas, junto con sistemas de compresión y almacenamiento, permite no solo reducir el impacto ambiental del CO2, sino también transformarlo en una oportunidad económica y tecnológica, impulsando la transición hacia industrias más limpias, resilientes y sostenibles.
Tratamiento y purificación de aguas residuales provenientes de diferentes industrias mediante métodos electroquímicos
No se puede concebir el mundo moderno sin las variadas industrias que le dan forma al mismo: la creación de productos de valor añadido a partir de materias primas, aunque es un concepto tan antiguo como la misma civilización, no se habría desarrollado de una forma tan vertiginosa sin la Revolución Industrial, que ha permitido obtener productos con escasa diferencia entre ellos en menos tiempo y por menor precio.
Como todo, este aumento de la industria ha traído parejos varios problemas. Muchos de ellos se han podido solucionar a lo largo del tiempo o han sido minimizados correctamente hasta el punto de que no son un problema. Al final del día, lo que se busca es que, en la transformación de las materias primas en productos, se produzca la menor cantidad de residuos posible, ya que esta generación conlleva el tratamiento de los mismos para poder disponer de ellos de forma adecuada.
Aún así, hay algunas industrias que son conocidas por dejar una marca indeleble en la zona en la que se sitúan, como puede ser la industria papelera. Es necesario añadir que en los últimos 20 años las regulaciones implantadas, así como el trabajo realizado desde las propias empresas de tratamiento de celulosa, ha ayudado a reducir la huella de carbono de la industria (indicador ambiental que pretende reflejar la totalidad de gases de efecto invernadero emitidos por efecto directo o indirecto de, en este caso, una organización).
Pero, aún con el trabajo realizado hasta ahora, es imposible un sistema en el que el residuo generado sea cero. Una industria como la papelera siempre va a generar aguas residuales que deben ser tratadas de forma diferente a las generadas en los hogares. Por ello, muchas empresas del ramo están buscando formas de inertizar sus corrientes residuales con el fin de que no supongan un problema para el medio ambiente.
Otra industria que adolece del mismo problema que la industria papelera es la industria minera, en la cual los metales pesados extraídos forman parte de la ganga de la mena, la cual no tiene interés económico para la empresa. El problema es cuando la concentración de los mismos es demasiado baja como para ser atrapados por métodos físicos como la coagulación o floculación, ya que, aunque se disminuye la cantidad de metales en las corrientes residuales, existe una cierta cantidad de compuestos dañinos para el medio ambiente y el ser humano que le da a las susodichas una concentración por encima de los niveles recomendados para ello.
Para solucionar estos problemas se han propuesto diferentes técnicas para controlar la cantidad de componentes nocivos que las industrias pueden descargar, pero, en esta entrada de blog, quiero hablar principalmente de diferentes técnicas electroquímicas que existen para llevar a cabo este cometido. Para ello, creo conveniente hacer un pequeño resumen de la rama que usan estas técnicas, que es la de la electroquímica.
Resumen de la electroquímica
Las reacciones electroquímicas se pueden dividir de acuerdo al potencial necesario para su realización. Cuando las reacciones químicas son inducidas por una diferencia de potencial externo, es decir, se necesita aplicar un voltaje para llevarla a cabo, el proceso se denominaelectrólisis. Por otro lado, si la diferencia de potencial eléctrico surge como resultado de una reacción química, es decir, se genera un voltaje como consecuencia de la reacción, estamos ante un «acumulador de energía eléctrica», comúnmente conocido como batería o celda galvánica.
«Electrólisis. Cuando las reacciones químicas son inducidas por una diferencia de potencial externo.»
Las reacciones químicas en las que se transfieren electrones entre moléculas se llaman reacciones redox, que viene del hecho de que, para llevarse a cabo una reacción electroquímica completa, debe haber una semirreacción en la que un compuesto se reduce y otra semirreacción en la que otro compuesto se oxida, dando así el origen a este tipo de reacciones. Estas reacciones son esenciales en electroquímica, ya que permiten los procesos que generan electricidad o son inducidos por la misma.
En términos generales, la electroquímica se dedica a investigar los casos en los que ocurren reacciones de oxidación y reducción de manera separada, ya sea físicamente o en diferentes momentos, dentro de un sistema conectado a un circuito eléctrico. Este aspecto es estudiado en química analítica, específicamente en el análisis potenciométrico.
El uso de la electroquímica en las aguas residuales de la industria se basa en el hecho de que los iones metálicos suelen tener distintos estados de oxidación (la carga eléctrica teórica que tendría un átomo si todos sus enlaces con otros elementos fueran completamente iónicos). Jugando con estos estados de oxidación y la presencia de contraiones que son capaces de formar una sal de baja solubilidad, se puede retirar una gran parte de los metales pesados, así como otros iones susceptibles de ser perjudiciales.
Industria papelera: desionización capacitiva
En el caso de CARTIF, una de las técnicas electroquímicas con las que se trabaja con el fin de tratar aguas procedentes de efluentes de la industria papelera, es la de desionización capacitiva.
La tecnología de desionización capacitiva (CDI, por sus siglas en inglés) se basa en la eliminación de aniones y cationes utilizando un campo eléctrico y electrodos compuestos por materiales derivados del carbono, los cuales cuentan con alta porosidad y buena conductividad eléctrica. Este método permite la acumulación localizada de cargas positivas y negativas alrededor de los electrodos en un proceso de celdas alternas, en el cual cada celda funciona como un supercondensador que almacena energía eléctrica mientras reduce la conductividad de la disolución debido a que se retiran cargas del medio.
La inversión de polaridad permite recuperar la energía acumulada al mismo tiempo que se limpian los electrodos en cuya superficie se han depositado los iones de carga contraria. Así, al hacer circular agua a contracorriente, se logra la recuperación de gran parte de la energía utilizada previamente en el proceso de desalación, que puede ser reutilizada para continuar reduciendo la cantidad de sales disueltas. Este proceso se repite en ciclos mediante varias celdas conectadas en paralelo, alternando las celdas en operación y las celdas en limpieza. Esto permite obtener de forma continua un flujo de agua desalada, un flujo de rechazo (corriente con una alta concentración de sales, que al aumentar su concentración es más fácil secar y almacenar en el futuro) y una recuperación energética que se emplea en las celdas activas.
«Inversión de polaridad. Recuperar la energía acumulada al mismo tiempo que se limpian los electrodos en cuya superficie se han depositado los iones de carga contraria.»
Las principales ventajas de la CDI son las siguientes:
Menor consumo energético en comparación con la ósmosis inversa (RO por sus siglas en inglés, la cual se basa en aplicar presión a la disolución para empujarla a través de una membrana de ósmosis semipermeable para filtrarla y retirar los iones presentes) ya que no requiere de altas presiones para funcionar y permite recuperar gran parte de la energía utilizada en la desalación, almacenada en las celdas como en un condensador.
Reducción en el uso de productos químicos, ya que no se requieren agentes quelantes para evitar obstrucciones como en las tecnologías basadas en membranas, así como no necesitar ni ácidos y bases para la regeneración de resinas en los sistemas de intercambio iónico.
Modularidad y compacidad. La posibilidad de utilizar múltiples celdas en paralelo facilita el montaje compacto y la ampliación progresiva del caudal de tratamiento mediante la adición de módulos, ofreciendo crecimiento escalable y mayor versatilidad, lo cual es de alto interés en la industria.
Industria Minera: electrocoagulación
En el caso de la industria minera, una técnica que se ha planteado en CARTIF es la de la electrocoagulación (EC), la cual tiene un rango de aplicación que también cubre a solidos suspendidos, aceite emulsionado, hidrocarburos y similares.
En su forma más simple, un reactor de electrocoagulación se compone de una celda electrolítica con un ánodo y un cátodo. Al conectarlo a una fuente de energía externa, el material del ánodo se corroe electroquímicamente debido a la oxidación, mientras que el cátodo se somete a pasivación.
Un sistema de electrocoagulación (EC) esencialmente consta de pares de placas metálicas conductoras en paralelo, que actúan como electrodos monopolares. Además, requiere una fuente de corriente continua, una caja de resistencia para regular la densidad de corriente y un multímetro para leer los valores de corriente. Las placas metálicas conductoras son comúnmente conocidas como «electrodos de sacrificio». El ánodo sacrificial reduce el potencial de disolución del ánodo y minimiza la pasivación del cátodo. Los ánodos y cátodos de sacrificio pueden ser del mismo material o de materiales diferentes, dependiendo de la composición de la disolución a tratar.
La disposición de electrodos monopolares con celdas en serie es eléctricamente similar a una sola celda con muchos electrodos e interconexiones. En una disposición de celdas en serie, se requiere una diferencia de potencial más alta para que fluya una corriente determinada, ya que las celdas conectadas en serie tienen mayor resistencia. Sin embargo, la misma corriente fluirá a través de todos los electrodos. En contraste, en una disposición en paralelo o bipolar, la corriente eléctrica se divide entre todos los electrodos en relación con la resistencia de las celdas individuales, y cada cara del electrodo tiene una polaridad diferente.
Durante la electrólisis, el lado positivo experimenta reacciones anódicas de oxidación, mientras que en el lado negativo se encuentran reacciones catódicas de reducción. Generalmente se usan placas metálicas consumibles, como hierro o aluminio, como electrodos de sacrificio para producir continuamente iones en el agua. Los iones liberados neutralizan las cargas de las partículas presentes en la disolución e inician la coagulación. Estos iones eliminan contaminantes indeseables, ya sea mediante reacción química y precipitación, o causando la coalescencia de los materiales coloidales, que luego pueden ser eliminados por retirada de la capa orgánica que se forma en la superficie de la disolución. Además, a medida que el agua que contiene partículas coloidales, aceites u otros contaminantes se mueve a través del campo eléctrico aplicado, puede producirse ionización, electrólisis, hidrólisis y formación de radicales libres, lo cual puede alterar las propiedades físicas y químicas del agua y los contaminantes. Como resultado, el estado reactivo y excitado provoca que los contaminantes se liberen del agua y sean destruidos o se hagan menos solubles.
Algunas de las ventajas de este sistema, en comparación con la coagulación química, son las siguientes:
Los flóculos formados por EC son similares a los flóculos generados por floculación química, excepto que los flóculos de EC tienden a ser mucho más grandes, contienen menos agua ligada, son resistentes al ácido y más estables, y por lo tanto, pueden separarse más rápidamente mediante filtración.
La EC puede producir un efluente con menos contenido de sólidos disueltos totales (TDS) en comparación con los tratamientos químicos, particularmente si los iones metálicos pueden precipitarse como hidróxidos o carbonatos insolubles.
El proceso de EC tiene la ventaja de eliminar las partículas coloidales más pequeñas, ya que el campo eléctrico aplicado neutraliza cualquier carga residual, facilitando así la coagulación mediante formación de micelas mayores.
El proceso de EC generalmente evita el uso excesivo de productos químicos, lo que reduce la necesidad de neutralizar el exceso de productos y disminuye la posibilidad de contaminación secundaria causada por sustancias químicas añadidas en alta concentración, como ocurre cuando se utiliza la coagulación química en el tratamiento de aguas residuales.
Las burbujas de gas producidas durante la electrólisis de tanto el agua de la disolución como los componentes en la misma pueden transportar convenientemente los componentes contaminantes a la superficie de la solución, donde pueden concentrarse, recogerse y eliminarse más fácilmente.
Como conclusión, podemos afirmar que la evolución industrial ha traído consigo desafíos medioambientales significativos, especialmente en la gestión de residuos y contaminantes tóxicos. Para mitigar estos efectos, la electroquímica ha emergido como una herramienta clave en la purificación de aguas residuales, destacando técnicas como la desionización capacitiva (CDI) y la electrocoagulación (EC). Estas tecnologías permiten reducir la concentración de metales pesados y otros contaminantes con un menor uso de productos químicos y menor consumo energético. Así, la electroquímica ofrece soluciones sostenibles para minimizar el impacto ecológico de las industrias al optimizar el tratamiento de sus residuos y contribuir a la protección ambiental.
