LA CALIDAD DEL AGUA EN SISTEMAS DE ELECTRÓLISIS. IMPORTANCIA Y TRATAMIENTOS
Se puede pensar que emplear agua “limpia” en sistemas de electrólisis es suficiente para obtener productos de calidad. Esta agua, que podemos considerar “limpia”, es un agua exenta, o con muy bajo contenido, de materia en suspensión, es decir, de compuestos que pueden dar color o turbidez al agua, pero es posible que tenga un alto contenido salino disuelto imperceptible al ojo humano.
Estas sales suelen ser mezclas de iones cloruro, carbonatos, sulfatos, iones calcio y magnesio y metales como hierro y aluminio, entre otros. La presencia de estos iones en el agua en los sistemas de electrólisis, como en la industria en general, pueden ocasionar problemas de incrustación y corrosión en los diferentes sistemas, equipos y conducciones, acelerando el deterioro de los componentes metálicos, reduciendo la eficiencia y la vida útil de los equipos, y aumentando los costos operativos, entre otros.
Por ejemplo:
- Las sales de calcio y magnesio forman precipitados que se depositan en los electrodos y membranas reduciendo su eficiencia y su vida útil. La presencia de estas impurezas, reduce la conductividad eléctrica del agua, aumentando el consumo energético y reduciendo la producción.
- Los cloruros y sulfatos, producen corrosión y aceleran el deterioro de los componentes metálicos como pueden ser los electrodos o los cuerpos estructurales de la celda.
- Los compuestos metálicos tales como el hierro, manganeso o aluminio, pueden formar compuestos insolubles que se depositan en las superficies de los electrodos y membranas impidiendo el paso de la corriente y obstaculizando el paso de iones.
Entonces, ¿emplear agua ultrapura, es decir, agua con nulo contenido salino y en suspensión, es la mejor opción en sistemas de electrólisis?
Tras lo que hemos comentado anteriormente sería de locos pensar que NO, pero tampoco podemos afirmarlo completamente sin tener en cuanta algunos matices.
El agua ultrapura, sin contenido salino o baja fuerza iónica, no conduce la corriente eléctrica, por lo que no sería posible realizar la electrólisis sin dejar pasar la corriente ya que la producción de hidrógeno es directamente proporcional a la corriente que circula por ella (Ley de Faraday):
Donde:
- nH2 es la producción molar de hidrógeno (mol/s)
- I es la corriente eléctrica (A)
- z: número de electrones intercambiados (para H2 el valor de z es 2)
- F: constante de Faraday (96485 C/mol)
Por lo tanto, al tener una conductividad casi nula, no conduce la corriente y no se produce la reacción deseada de producción de hidrógeno.
Para evitar esto, es decir, aumentar la conductividad eléctrica, se emplean unos compuestos llamados “electrolitos”. La elección del electrolito es fundamental ya que debe cumplir algunos requisitos:
- Alta conductividad eléctrica: para reducir la resistencia al paso de la corriente, reducir los costos energéticos y evitar el calentamiento excesivo de las celdas.
- Alta estabilidad: debe ser químicamente estable bajo las condiciones de operación (temperatura, presión y potencial aplicado). Además, debe resistir la descomposición electroquímica para evitar reacciones no deseadas o su propia degradación.
- Compatibilidad química: debe ser compatible con los materiales de la celda con el fin de evitar su corrosión y deterioro.
- Principio de no reacción: no debe reaccionar en los electrodos, o al menos, no influir en la riqueza o pureza de los productos deseados.
Comúnmente, en los sistemas de electrolisis alcalina, los electrolitos que se emplean son Hidróxido Potásico (Potasa) o Hidróxido Sódico (Sosa) ya que son electrolitos fuertes y no producen reacciones secundarias.
Otro electrolito en el que se podría pensar sería el Cloruro Sódico (Sal Común) por su precio y abundancia. El motivo de no ser seleccionado como buen electrolito, es porque incumple el “Principio de No Reacción” debido a que compite en la oxidación del agua en el ánodo, produciendo cloro gaseoso en lugar de oxígeno. Este cloro generado se transforma rápidamente en ácido hipocloroso incumpliendo el requisito de “Compatibilidad Química”, reaccionando con los metales de los electrodos en fenómenos de corrosión.
En definitiva, tras lo que hemos comentado, se hace necesario el empleo de agua pura con ayuda de un electrolito para la correcta generación de hidrógeno en sistemas de electrólisis.
¿Qué tratamiento debe realizarse al agua de aporte para la obtención de un agua con baja fuerza iónica?
La respuesta a esta pregunta no es sencilla ya que dependerá de la calidad del agua de aporte que tengamos. No se realizará el mismo tratamiento a un agua superficial (río, pantano, …) que a un agua subterránea (pozo). Del mismo modo, no se realizará el mismo tratamiento a un agua de red (potable) que a un agua procedente directamente del mar (agua marina).
Lo que sí podemos afirmar es que será necesario realizar un pretratamiento con el fin de eliminar los sólidos que pueda tener el agua en suspensión (filtración, coagulación-floculación, ultrafiltración, …), seguido de un post-tratramiento de ablandamiento y/o desalación (resinas de intercambio iónico, ósmosis inversa, …) con el fin de eliminar compuestos disueltos que pueden precipitar o causar problemas de corrosión e incrustación (calcio, magnesio, sulfatos, cloruros, carbonatos, metales…) y que aportan conductividad al agua.
Figura 1. Diagrama de flujo de un sistema de tratamiento de agua convencional
¿Qué puede ocurrir si he utilizado agua sin tratar en un sistema de electrolisis?
En este caso, lo más probable, analizando todo el contenido anterior, es que los electrodos y membranas hayan sido atacados por los iones presentes en el agua y muestren algún tipo de incrustación y/o corrosión. En cualquier caso, se requiere de una actuación de mantenimiento (correctiva o preventiva) que revierta los equipos a su configuración y estado inicial.
Una de las actuaciones que se puede realizar es una limpieza química que disuelva o elimine la suciedad o incrustación contenida en los elementos de la celda.
Para realizar la mejor selección del producto a emplear debemos conocer:
- Los compuestos que queremos eliminar:
- Incrustaciones minerales: Depósitos de calcio, magnesio u otros minerales provenientes del agua dura. Suele emplearse ácidos débiles como cítrico, acético, …
- Óxidos metálicos: Productos de la corrosión o acumulación de metales en los electrodos. Suele emplearse ácidos fuertes como el oxálico, fosfórico, EDTA, …
- Suciedad orgánica: Acumulación de compuestos orgánicos provenientes del agua o del ambiente. Suele emplearse soluciones de álcalis débiles.
- Los materiales que estarán en contacto con la solución de limpieza para asegurar que el producto no reacciona o ataca a los materiales y así seleccionar la concentración adecuada.
La definición del compuesto a utilizar es una tarea ardua y difícil ya que requiere de diversas pruebas de limpieza con diferentes productos y concentraciones que pueden terminar deteriorando la instalación o los equipos.
Para evitarlo, nos podemos apoyar en laboratorios especializados que disponen de bancos de pruebas y ensayos. En ocasiones, es necesario, o recomendable, sacrificar una celda y realizarle una autopsia, así como someterla a diversos protocolos de limpieza con diferentes productos, concentraciones y tiempos de contacto y analizar, por técnicas como SEM-EDX (microscopía de barrido electrónico con detección de energía dispersiva de Rayos X) y espectrometría de infrarrojo, el tipo de ensuciamiento al que nos enfrentamos.
Figura 2. Imágenes de un ensayo por técnica SEM-EDX
Figura 3. Pruebas de limpieza con diferentes productos y concentraciones
¿Qué concusiones se pueden obtener tras las notas presentadas?
Tras la lectura de este artículo se puede concluir diciendo que se hace necesario un buen tratamiento del agua para mejorar la eficiencia de los procesos de producción de hidrógeno en sistemas de electrólisis, así como minimizar el coste operativo y correctivo del sistema. Añadir también que una correcta definición del plan de mantenimiento preventivo es sinónimo de ahorro de costes.
En ARRAM contamos con personal especializado en control y optimización de procesos que podrán ayudarte a encontrar las soluciones que tu sistema necesita. Además, contamos con el apoyo de laboratorios de ensayos especializados que nos ayudan a encontrar los productos que mejor se adapten nuestros procesos y tratamientos.
