Producción de ácido y base mediante electrodiálisis con membranas bipolares a partir de salmuera

Abstract

La desalación de agua de mar mediante ósmosis inversa (SWRO, por sus siglas en inglés) es la principal fuente para obtener agua dulce ante la creciente escasez global de agua. Sin embargo, la SWRO conlleva la generación de salmuera hipersalina como subproducto. La electrodiálisis con membranas bipolares (EDBM) es una tecnología capaz de valorizar esos desechos de la desalación produciendo ácidos y bases utilizando la electricidad como fuerza impulsora. Este trabajo de fin de máster se enfocará en la valorización de la salmuera residual para producir ácido clorhídrico (HCl) e hidróxido de sodio (NaOH), estableciendo así una conexión directa entre la necesidad de obtener agua dulce y la gestión responsable de los subproductos de este proceso. Se llevó a cabo una comparación que abarca diferentes configuraciones de una celda comercial PCCell, incluyendo variaciones en el número de tripletes (3, 5 y 7), el tipo de membrana (Fumatech® y PCCell), y diversas intensidades de corriente (500, 750 y 1000 A/m2), así como la influencia del exceso de salmuera. Los resultados indicaron que el aumento del número de tripletes implicaba alcanzar mismas concentraciones en menos tiempo. En concreto se necesitaron 120 minutos para alcanzar 1 M de base con 3 tp a 1000 A/m2 mientras que con las mismas condiciones usando 7 tp se alcanzó la misma concentración en aproximadamente 60 minutos. Además, todos los escenarios mostraron que la densidad de corriente mayor (1000 A/m2) alcanzaba mayores concentraciones tanto de base como de ácido. Los resultados han demostrado que las membranas PCCell ofrecen resultados significativamente mejores en cuanto a las concentraciones obtenidas en comparación con las membranas Fumatech® en condiciones experimentales idénticas. Por ello se llevaron a cabo experimentos con exceso de salmuera donde se consiguió alcanzar 2.8 M para la base. Finalmente, comparando los tres escenarios a una densidad de corriente de 750 A/m² y 5 tripletes, el consumo específico de energía (SEC) disminuye de 4.69 kWh·kg⁻¹ con membrana Fumatech® a 3.25 kWh·kg⁻¹ con PCCell y a 3.30 kWh·kg⁻¹ con el exceso de salmuera. En este trabajo, se logró llevar a cabo la puesta a punto del sistema experimental de EDBM así como la producción de ácidos y bases. Los resultados de los experimentos destacaron que tanto el aumento del número de tripletes como el aumento en la densidad de corriente alcanzaban concentraciones de ácido y base más altas. Además, las membranas PCCell mostraron un mejor rendimiento comparadas con las Fumatech® en todos los escenarios.

Desalination of seawater through reverse osmosis (SWRO) is the primary source of freshwater due to the growing global water scarcity. However, SWRO involves the generation of hypersaline brine as a byproduct. Electrodialysis with bipolar membranes (EDBM) is a technology capable of valorizing these desalination wastes by producing acids and bases using electricity as the driving force. This final master project will focus on the valorization of residual brine to produce hydrochloric acid (HCl) and sodium hydroxide (NaOH), thus establishing a direct connection between the demand for freshwater and responsible management of the byproducts of this process. A comparison was carried out encompassing different configurations of a commercial PCCell unit, including variations in the number of triplets (3, 5, and 7), the type of membrane (Fumatech® and PCCell), and various current intensities (500, 750, and 1000 A/m2), as well as the influence of excess brine. The results indicated that increasing the number of triplets led to achieving the same concentrations in less time. Specifically, it took 120 minutes to reach 1 M of base with 3 triplets at 1000 A/m2, whereas under the same conditions using 7 triplets, the same concentration was achieved in approximately 60 minutes. Additionally, all scenarios showed that higher current density (1000 A/m2) resulted in higher concentrations of both, base and acid. The results have shown that PCCell membranes offer significantly better outcomes in terms of concentrations obtained compared to Fumatech® membranes under identical experimental conditions. Therefore, experiments were conducted with excess brine, where 2.8 M for the base was achieved. Finally, comparing the three scenarios at a current density of 750 A/m² and 5 triplets, the specific energy consumption (SEC) decreased from 4.69 kWh·kg⁻¹ with Fumatech® membrane to 3.25 kWh·kg⁻¹ with PCCell and 3.30 kWh·kg⁻¹ with excess brine. In this work, the setup of the EDBM experimental system was successfully carried out, along with the production of acids and bases. The results of the experiments highlighted that both increasing the number of triplets and raising the current density led to higher concentrations of acid and base. Furthermore, PCCell membranes exhibited greater efficiency compared to Fumatech® membranes.