El agua tiene un uso muy extendido en la industria y rara vez se encuentra en las condiciones adecuadas para su incorporación directa al proceso. Los requerimientos de calidad exigida varían en función de la actividad industrial. Para adecuar las características del agua al proceso productivo, se hace necesario la instalación de Plantas de Tratamiento de Agua (PTA).
J. Huesa, gracias al amplio porfolio de tecnologías que dispone, está especializada en la ejecución de proyectos llave en mano de plantas de tratamiento de aguas de proceso. Estas instalaciones cumplen con una doble premisa, por un lado, alcanzar el óptimo económico y operacional de nuestros clientes, y, por otro lado, salvaguardar el medio ambiente, a través de una gestión sostenible de este recurso.
En esta ocasión, queremos profundizar acerca del uso del agua para minimizar la emisión de GHG (gases de efecto invernadero), concretamente en la producción de Hidrógeno.
El Hidrógeno
Es el elemento químico más simple de la tierra; los átomos de este elemento de la tabla periódica están formados por un protón y un electrón, siendo estable en la forma diatómica H2. En condiciones normales se encuentra en estado gaseoso, y es insípido, incoloro e inodoro.
El hecho de tener una densidad tan baja, le confiere dos características:
- Por un lado, no se encuentra libre en la naturaleza, sino asociado a otros elementos formando distintos compuestos, como los distintos tipos de hidrocarburos y el agua.
- Por otro lado, a pesar de ser considerado una fuente de energía, realmente es un vector energético, ya que puede retener y proporcionar energía.
Producción de Hidrógeno
Como ya hemos comentado, el hidrógeno, a pesar de ser un elemento muy abundante en la naturaleza, su baja densidad hace que no se encuentre libre y, por tanto, esté asociado a otros elementos formando distintos compuestos. Se obtiene a través de distintos procesos de producción en función del compuesto del que se extraiga:
1. Procesos termoquímicos: Utilizan reacciones químicas y calor para liberar hidrógeno a partir de materiales orgánicos como combustibles fósiles y biomasa.
2. Procesos electrolíticos. La electrólisis es la división del agua en hidrógeno y oxígeno mediante el uso de una fuente de energía. Se llevan a cabo en equipos denominados electrolizadores.
3. Procesos fotolíticos. Al igual que en los procesos electrolíticos, en la fotólisis se obtiene hidrógeno a partir del agua, pero empleando como fuente de energía la procedente del sol (energía solar).
4. Procesos biológicos: algunos microorganismos pueden producir hidrógeno a partir de procesos biológicos.
De todos estos métodos de obtención de hidrógeno, el más limpio es su producción a través del agua, ya que no emite CO2 en su proceso productivo. Puesto que para llevar a cabo este proceso es preciso el uso de energía, cuanto más renovable sea la fuente de energía que se emplea en la electrólisis del agua, más verde se considera el hidrógeno (Hidrógeno Verde).
No podemos olvidar que, gracias a su condición de vector energético, el hidrógeno así obtenido puede volver a transformarse en energía eléctrica mediante el uso de pilas de combustible (dispositivos electroquímicos capaces de convertir la energía del hidrógeno en energía eléctrica).
Necesidades de agua asociadas a los electrolizadores
Los electrolizadores son aparatos que permiten la producción de hidrógeno mediante un proceso químico que separa el agua en moléculas de H2 y O2, empleando para ello electricidad y agua. Existen distintos tipos de electrolizadores, pero todos ellos tienen en común que necesitan un agua ultrapura.
A nivel internacional contamos con distintas organizaciones que han marcado los estándares de calidad del agua purificada entre las que destacan:
- ASTM D1193 2011 (American Society for Testing and Materials)
- ISO 3696 (International Organization for Standardization)
- CLSI NCCLS (Clinical and Laboratory Standards Institute)
- EP y USP (PharmacopeaEuropea y Pharmacopea Americana)
Tomamos como referencia de la calidad del agua de entrada al electrolizador la que marca la Normativa de la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM), que hace referencia al agua que se usa como reactivo, clasificándola en cuatro tipos de agua distintas, así como los procedimientos para su obtención.
Lo más habitual en el caso de los electrolizadores es que el agua sea del tipo I:
| Parámetro | Tipo I | Tipo II | Tipo III | Tipo IV |
| Conductividad eléctrica Max. (µS/cm a 25 °C) | 0,056 | 1 | 4 | 5 |
| Resistividad eléctrica Min (MΏ-cm a 25 °C) | 18,2 | 1 | 0,25 | 0,2 |
| pH a 25 °C | – | – | – | 5,0 – 8,0 |
| TOC máx. (µg/L) | 10 | 50 | 200 | Sin límite |
| Sodio máx. (µg/L) | 1 | 5 | 10 | 50 |
| Sílice máx. (µg/L) | 3 | 3 | 500 | Sin límite |
| Cloro máx. (µg/L) | 1 | 5 | 10 | 50 |
Para obtener este tipo de agua ultrapura, se hace necesario la fabricación de una Planta de Tratamiento de Aguas (PTA) cuyo tren de tratamiento estará marcado, por la calidad del agua de aporte (red de abastecimiento urbana, pozo, lagos, ríos, etc.) y por el volumen de agua que hay que aportar al proceso de electrólisis.
En líneas generales, el tratamiento será:
- Pretratamiento
- Ósmosis Inversa (RO)
- Electrodesionización (EDI)
Diagrama tipo de una PTA con un sistema de RO de doble paso y EDI
Pretratamiento
El pretratamiento se diseñará en función de las características y procedencia del agua bruta para garantizar los parámetros adecuados para el aporte a la planta de ósmosis inversa y posteriormente a la EDI:
- En el caso de aguas de aporte con contaminación orgánica, es recomendable un tratamiento previo de desinfección para la eliminación de patógenos del agua, bien sea con la adición de algún tipo de oxidante(cloro, ozono, peróxido …) o mediante radiación(ultravioleta).
- Para la eliminación de sólidos en suspensión o coloides se deben de emplear sistemas de filtración tipo filtro de mallas o plantas de ultrafiltración o filtro Bicapa
Ultrafiltración
Filtro de malla
- Filtro de carbón activo o dosificación de bisulfito sódico para la reducción de oxidantes del agua.
Sistema de dosificación
- Descalcificador para la eliminación de la dureza del agua (sales de calcio y magnesio)o dosificación de antiincrustante para evitar la precipitación de sales en la Ósmosis Inversa.
Descalcificador
Ósmosis Inversa
La ósmosis inversa es una tecnología de membrana que permite eliminar la salinidad del agua. Se basa en un proceso de difusión a través de una membrana semipermeable que facilita el paso de gases disueltos y moléculas sin carga electroestática de bajo peso molecular.
Es el sistema indicado para la producción de agua pura con un bajo contenido en sales, libre de virus y contaminantes químicos. Se emplean membranas de ósmosis, cuya configuración varía en función de la naturaleza del agua a tratar.
En la ósmosis inversa se usa una presión superior a la presión osmótica, consiguiendo un efecto contrario. Cuanto mayor sea la presión aplicada, el flujo de permeado aumenta de forma proporcional.
Los factores que afectan al proceso de filtración por membrana son:
- La calidad del agua de aporte.
- Los parámetros de operación de la planta (presión y grado de conversión).
- Polarización de la concentración.
El objetivo de esta etapa de tratamiento de la PTA es obtener un permeado con una conductividad comprendida entre 5-10 µS/cm, que es la adecuada para el correcto funcionamiento de la electrodesionización.
Puesto que con la ósmosis inversa se obtiene un permeado donde se elimina un 99 % de las sales del agua de entrada, en función de la conductividad del agua bruta se hará necesario establecer o no un segundo paso de ósmosis inversa.
Electrodesionización (EDI)
Esta última etapa de la PTA es una técnica de pulido que consigue agua ultrapura gracias a la conjugación del intercambio iónico con membranas. Se introduce una resina intercambiadora en el interior de los compartimentos entre las membranas de las células. La resina de intercambio iónico minimiza las fugas iónicas típicas del intercambio iónico, por lo que no precisa de regenerantes, con la consecuente reducción del uso de productos químicos.
Se caracteriza por tratarse de una operación simple y continua, en la que se elimina el uso de productos químicos en la regeneración y que produce calidad constante de agua sin fluctuaciones de flujo, de forma que no se producen efluentes peligrosos ni se vierten resinas.
Conclusiones sobre la producción de hidrógeno
La producción de hidrógeno como una fuente de energía alternativa se posiciona en el mercado como un sector en auge que se caracteriza por tener unos requerimientos de calidad de agua muy exigentes y restrictivos, a la par que precisan garantizar un aporte continuo de agua al proceso de producción. Esta casuística motiva que se instalen sistemas redundantes para evitar paradas del proceso de producción en caso de fallo, avería o mantenimiento de alguno de los equipos que componen la PTA.
Para no dejar atrás ninguna de las variables que entran en juego en este mercado, J. Huesa pone a disposición de las empresas que componen este sector, el personal y la experiencia adquirida a lo largo de su trayectoria profesional para ofrecer soluciones globales del tipo llave en mano o EPC, ejecutando todas las tareas que van desde el estudio inicial de la viabilidad del proyecto hasta la puesta en marcha de la instalación. El hecho de tener un centro de producción propio agiliza la respuesta en tiempo y forma.
