PROYECTO PILOTO / CARÁCTER DEMOSTRATIVO DEL PROYECTO
El proyecto LIFE PureAgroH2O tiene un fuerte carácter demostrativo, orientado al desarrollo de un reactor PNFR (nanofiltración fotocatalítica) cercano al mercado que utiliza un dispositivo de purificación de agua patentado y desarrollado internamente, que alberga monolitos fotocatalíticos avanzados y fotocatalizadores activados con luz visible (VLA) estabilizados con fibra polimérica porosa, que ha sido verificado para eliminar de forma efectiva las sustancias orgánicas de las aguas residuales. La innovación del reactor radica en la sinergia entre dos de los procesos más eficientes para la eliminación de plaguicidas de las aguas residuales agrícolas, a saber, la nanofiltración (NF) y la fotocatálisis.
Esta sinergia proporciona una intensificación significativa del proceso que, a su vez, permite una reducción de las dimensiones del reactor (costes de inversión) y una disminución concomitante en el coste operacional (costes de operación). El consorcio pretende también garantizar el funcionamiento autónomo del proceso proporcionando una eficiencia estable que no dependerá de las condiciones estacionales (irradiación solar) ni de la composición de las aguas residuales agrícolas. Adicionalmente, la posibilidad de lograr una reducción del 60% en la presión transmembrana requerida permite una extensión significativa de la vida útil del proceso (2 veces) y una mayor eficacia en la eliminación de contaminantes orgánicos e inorgánicos (>99.5%) mediante el desarrollo de la siguiente generación de monolitos fotocatalíticos alineados basados en nanotubos de carbono de pared simple (single-walled carbon nanotubes-SWCNTs), que serán verificados con el propósito de integrarlos en el proceso PNFR.
En consecuencia, la propuesta del proyecto LIFE PureAgroH2O es única y demuestra evidencia de innovación debido a la implementación de tecnologías punteras en el tratamiento de aguas (nanofiltración fotocatalítica), materiales avanzados (nuevas membranas de SWCNT alineadas mejoradas con TiO2 activado con luz visible, VLA-TiO2), irradiación remota (con fibra óptica y LED) y energía (fotovoltaica, tecnologías de almacenamiento de energía) e integración de tales sub-tecnologías en un reactor PNFR disponible comercialmente. El prototipo a gran escala se controla y recaba información automáticamente y puede ser explotado en muchas aplicaciones comerciales.
Puede ser utilizado para el tratamiento de:
1. Efluentes de aguas residuales generados en la industria frutícola
2. Aguas residuales producidas durante el lavado de la maquinaria de pulverización, equipos de tratamientos fitosanitarios y contenedores de productos químicos agrícolas.
3. Aguas grises de hoteles, edificios públicos y casas.
4. Efluentes de plantas de tratamiento biológico para eliminar sustancias de baja biodegradabilidad.
5. Agua potable, para eliminar el problema del sabor y olor originados por una variedad de compuestos.
6. Efluentes de la fermentación anaeróbica en la producción de biogás y reciclaje del agua.
Actualmente, ya se ha diseñado, construido y patentado un reactor PNFR a escala de laboratorio y se han probado diferentes tipos de monolitos fotocatalíticos y fotocatalizadores VLA estabilizados para evaluar su eficiencia para purificar el agua de contaminantes orgánicos e inorgánicos. Estos estudios han dado lugar a numerosas publicaciones en revistas de alto índice de impacto, en las que se han abordado aspectos importantes relacionados con la sinergia entre la nanofiltración y la fotocatálisis y la eficiencia energética del proceso.
Sin embargo, para lograr un aumento de casi 10 veces la capacidad de producción de agua tratada (desde 1,5 m³/día a 15 m³/día) del actual reactor, es de suma importancia la selección de una configuración adecuada de membrana/fotocatalizador y de un sistema de irradiación adecuado. Esto requiere una mayor investigación sobre posibles modificaciones de diseño del sistema, así como la realización de las pruebas necesarias para garantizar una gran cantidad de fotocatalizador activado por unidad de volumen de fluido tratado, sin que ello suponga pérdida alguna de la capacidad de procesamiento de agua.
La mayoría de los reactores fotocatalíticos adolecen de una baja utilización de la luz y limitaciones en la transferencia de materia y, por ello, su utilización está aún limitada a escala de laboratorio. Por el contrario, el prototipo híbrido de NF/fotocatálisis propuesto, como se describe en la patente europea EP 2 409 954 A1, ya se ha probado como “prueba de concepto” de la viabilidad de escalar el proceso. En este contexto, las membranas monolíticas dispuestas en forma de panal (honeycomb) utilizarán SWCNT y fotocatalizadores soportados, los cuales contienen un gran número de pequeños canales en paralelo a través de los cuales fluye el fluido de reacción y el catalizador es depositado en las paredes de los canales monolíticos. Para examinar esta posibilidad, se implementará una forma novedosa de irradiación mediante haces de fibra óptica para recibir luz alternativamente desde fuentes artificiales (LED) o del sol a través de un sistema de colectores, colimadores acoplados, espejos reflectantes y lentes condensadoras.
Asimismo, el NCSRD ya ha desarrollado nuevos fotocatalizadores activos a la luz visible (VLA) que se basan en TiO2 modificado (dopado con aniones) y composites de óxido de grafeno reducido (rGO)/TiO2. La exitosa deposición de estos materiales en la superficie de las membranas monolíticas SWCNT alineadas tipo honeycomb, así como, su incrustación en fibras poliméricas transparentes de tipo aerogel, se espera que tenga un gran impacto en la demanda de energía para irradiación de superficies activas. El objetivo es extraer la mínima energía de las baterías del sistema fotovoltaico aprovechando al máximo la radiación solar.
La implementación del proceso de nanofiltración fotocatalítica (PNFR) en el tratamiento de aguas residuales agrícolas es única y actualmente no ha sido utilizada en la industria agrícola.
A día de hoy, la NF tiene la capacidad de eliminar agroquímicos con una eficiencia de retención del 35-98%, dependiendo del tamaño molecular y la carga de la sustancia. La integración de la NF con la ósmosis inversa (RO) a baja presión ya se ha probado industrialmente en la eliminación de pesticidas para el suministro de agua potable (planta de NF de París, Francia [a] (140.000 m³/día) y de Saffron Walden, Inglaterra [b] (3.000 m³/día)). La integración de NF-RO garantiza una eficiencia de eliminación del 100%, aunque con un consumo de energía mucho mayor.
Ejemplos de tecnologías relevantes también están disponibles en el marco de otro proyectos LIFE:
LIFE Aquemfree (LIFE13 ENV / ES / 000488) utiliza el proceso de fotocatálisis/membrana de 1ª generación.
LIFE WATOP (LIFE11 ENV/ES/000503) utiliza nano-adsorbentes incrustados en membranas para eliminar productos farmacéuticos, incluido dentro del tratamiento terciario en plantas de tratamiento de aguas residuales.
LIFE WOGAnMBR (LIFE13 ENV/ES/000779) demuestra el uso de membranas en la digestión anaeróbica para la producción de biogás rico en metano al tiempo que logra una calidad de efluente superior adecuada para aplicaciones de pos-tratamiento y reutilización.
PURIFAST (LIFE07 ENV/IT/000439) ha demostrado la aplicabilidad de un sistema de tratamiento de aguas residuales híbrido basado en la ultrafiltración (UF) y un innovador proceso de oxidación avanzada (AOP), el proceso sonoquímico.
Las ventajas del PNFR en comparación con los procesos antes mencionados recaen en la irradiación simultánea de las superficies fotocatalíticas del lumen y el shell del monolito durante la nanofiltración. La acción fotocatalítica en el lado de la alimentación se ve aumentada por la inclusión de fibras porosas de fotocatalizadores VLA estabilizados. Por lo tanto, al contrario de lo que sucede normalmente en los procesos de UF, NF y RO, el rechazo llega a estar menos concentrado en pesticidas que a la entrada. Este es un atributo importante ya que permite el reciclado del rechazo hacia la alimentación sin afectar el rendimiento de retención del proceso de NF. De esta manera, se puede lograr una elevada recuperación del agua, de hasta el 95%, sin la necesidad de múltiples cascadas de membrana, se evita la producción de condensados tóxicos muy concentrados y se limita el ensuciamiento de la membrana, ya que la mayoría de las sustancias propensas a incrustarse se degradan fotocatalíticamente al adherirse a la superficie de la membrana. Además, el PNFR aborda la incapacidad inherente de la NF para retener moléculas orgánicas más pequeñas, ya que el permeado (filtrado) se desliza hacia abajo por la superficie fotocatalítica del lumen del monolito donde las sustancias orgánicas son degradadas fotocatalíticamente. La hidrofilicidad fotoinducida confiere a las membranas un mayor flujo de agua y conduce a una reducción significativa de la energía requerida (presión transmembrana), de la huella de carbono y de los costes de inversión del proceso. Por último, aunque no menos importante, el efecto inducido por la acción NF-fotocatálisis simultánea, las propiedades antiincrustantes y la capacidad del proceso para operar con mezclas complejas de sustancias inorgánicas y orgánicas lo convierten en un proceso novedoso que va más allá del estado actual para enfrentar el desafío de la regeneración y reutilización de aguas residuales, proporcionando así una herramienta única no solo en la industria agroalimentaria sino también en otras áreas.
El desarrollo y combinación de las membranas fotocatalíticas existentes, las tecnologías de irradiación, así como energéticas, requieren investigación, diseño, construcción, ensayo y evaluación. En este sentido, el proyecto enfatiza el carácter piloto a gran escala del PNFR. A pesar de que hay muchos sistemas disponibles en el mercado para el tratamiento de aguas residuales, el PNFR se diferencia sustancialmente de ellos y generará derechos de propiedad intelectual, que se acordarán y compartirán entre los socios.