Una celda de desalinización microbiana (MDC) es un sistema electroquímico biológico que implementa el uso de bacterias electroactivas para impulsar la desalinización de agua in situ , aprovechando el gradiente natural de ánodo y cátodo de las bacterias electroactivas y creando así un supercondensador interno . El suministro de agua disponible se ha convertido en una endémica mundial, ya que solo el 0,3% del suministro de agua de la Tierra es utilizable para el consumo humano, mientras que más del 99% está secuestrado por océanos, glaciares, aguas salobres y biomasa. [1] Las aplicaciones actuales en electrocoagulación , como las celdas de desalinización microbiana, pueden desalinizar y esterilizar agua anteriormente no disponible para hacerla adecuada para el suministro de agua segura. Las celdas de desalinización microbiana provienen de las celdas de combustible microbianas, que se diferencian en que ya no requieren el uso de un mediador y, en cambio, dependen de los componentes cargados del lodo interno para impulsar el proceso de desalinización. [2] Por lo tanto, las células de desalinización microbiana no requieren bacterias adicionales para mediar el catabolismo del sustrato durante la oxidación de la biopelícula en el lado anódico del condensador. Las células de desalinización microbiana y otros sistemas bioeléctricos son preferibles a la ósmosis inversa , la nanofiltración y otros sistemas de desalinización debido a los menores costos, el consumo de energía y los impactos ambientales asociados con los sistemas bioeléctricos. [3]
Una celda de combustible microbiana (MDC) se construye de manera similar a una celda de combustible microbiana al incluir dos cámaras con dos electrodos, un ánodo y un cátodo, además de una tercera cámara separada por una membrana de intercambio aniónico (AEM) y una membrana de intercambio catiónico (CEM), y un circuito externo periférico que es responsable de los procesos aeróbicos y anaeróbicos en cada electrodo respectivo. La materia orgánica del lodo prolifera en la cámara del ánodo y crea una biopelícula que genera una corriente eléctrica. La biopelícula comienza así a oxidar los contaminantes del lodo al adherirse estrictamente al ánodo, liberando tanto electrones como protones del biolodo, creando una corriente de átomos que son recolectados por los electrodos a través del transporte del circuito. [4] La corriente eléctrica se produce por la diferencia de potencial generada entre el ánodo y el cátodo debido a la naturaleza aeróbica de la cámara del cátodo. [5]
Las MDC se utilizan en la desalinización de agua de mar actuando principalmente como un tratamiento precursor para la electrodiálisis (ED) debido a la ineficiencia en la eliminación de salinidad debido a la bioincrustación y la incrustación de la membrana por la composición iónica compleja. Los estudios muestran que la eficacia de los sistemas MDC disminuye después de 5000 horas debido a la incrustación de la membrana, como la acumulación de calcio y potasio, lo que aumenta la resistencia óhmica y reduce el intercambio iónico a través de la membrana. Sin embargo, al utilizar MDC como un tratamiento precursor para la electrodiálisis, los resultados muestran que el tiempo del sistema se reduce en un 25% y el gasto de energía disminuye en un 45,3%. [6] La reducción de la resistencia externa aumenta la eficiencia de la desalinización hasta un 74%, como se demuestra en las celdas de desalinización microbiana de flujo ascendente (UMDC), pero aumenta la incrustación de la membrana en las membranas de intercambio iónico por la acumulación de calcio y magnesio, lo que resulta en una mayor resistencia óhmica interna y una disminución en la desalinización general del agua de mar. Con la aplicación de un MFC osmótico (OsMFC) junto con el UMDC como pretratamiento inicial de eliminación de biosólidos y desalinización, se redujo el 85% de la demanda de oxígeno y aproximadamente el 97% de las sales después del tratamiento secundario. El tratamiento posterior mediante sistemas BES tradicionales, como la electrodiálisis, puede funcionar como un sistema más eficaz para la desalinización, satisfaciendo las demandas energéticas con la energía de salida obtenida del pretratamiento MDC. [6]
Como las MDC contienen una conductividad eléctrica baja en la cámara de desalinización y no se aplica energía adicional al sistema, se aplican resinas conductoras de electrones para mejorar la conductividad, disminuir la resistencia interna y aumentar el proceso de desalinización de aguas salobres. [7] Las aguas salobres tienen una salinidad baja con una gran cantidad de sólidos disueltos totales, lo que genera dificultades para mantener corrientes eléctricas fuertes debido al aumento de la resistencia interna en la celda. Las MDC también experimentan problemas con la saturación de iones en la cámara del ánodo que se puede combatir utilizando una celda de desalinización capacitiva microbiana (MCDC). Las MCDC son análogas a las MDC con la excepción de la modificación de la membrana de cationes mediante la adición de tela de carbón activado, lo que permite el libre intercambio de protones a través de ambas cámaras de la celda y aumenta la eficiencia de la desalinización. [8]
El aumento del desarrollo agrícola está asociado con la tendencia a concentraciones elevadas de nitrógeno en la composición del suelo y el agua subterránea circundantes debido a la escorrentía de fertilizantes y subproductos agrícolas. El desarrollo de una celda de desalinización-desnitrificación microbiana sumergida (SMDDC) para eliminar el nitrógeno y la salinidad del agua subterránea alivia la demanda de compuestos adicionales que actúan como donantes de electrones y, en cambio, produce energía neta y agua limpia, desalinizada y desnitrificada. [9] A diferencia del modelo MDC típico, la SMDDC excluye una cámara de desalinización intermedia, pero en su lugar solo contiene una cámara de ánodo y una de cátodo separadas por una placa de policarbonato y paralelas a la AEM y CEM exteriores respectivamente. El nitrato se introduce a través de la AEM en la cámara del ánodo a través del agua subterránea sintética, luego se propaga como un efluente a través del circuito externo a la cámara del cátodo, en la que el nitrato se reduce a nitrógeno por el cátodo y el influente de sodio. Un tanque de alimentación de aguas residuales bombea agua a la cámara anódica para la posterior oxidación del lodo por la biopelícula anódica. De manera similar a la configuración original del MDC, el SMDDC también incluye un circuito externo en el que los electrones se liberan del proceso de oxidación del lodo y se conducen a través de un circuito externo cerrado a la cámara catódica. El contenido tóxico y patógeno de las aguas residuales se separa de este modo simultáneamente con la desnitrificación del agua subterránea, produciendo agua que se filtra como efluente utilizable. La mayor eliminación de nitratos se exhibió cuando se aplicó un voltaje externo (0,8 V) al circuito, transportando los iones a la cámara anódica y reduciendo el nitrato a través de la desnitrificación heterotrófica. [10]