¿Es posible generar bioelectricidad procesando drenaje ácido de minas y aguas negras?

Jazmin Alaide López Díaz, Mariana Martínez Castrejón y Giovanni Hernández Flores

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Aunque en publicaciones anteriores (Núm. 17), se ha abordado el tema de la biorremediación (de suelos, agua o emisiones contaminantes), se ha continuado analizando y optimizando aplicaciones como la presente, que amplían las perspectivas de un aprovechamiento sustentable de recursos y residuos, y de los conocimientos en microbiología, electroquímica y ciencia de materiales.

Industrias extractivas y contaminación

Durante diferentes etapas históricas, el oro, la plata, el cobre, el aluminio y el hierro han sido algunos de los metales más fácilmente identificables y conocidos por la sociedad. Los encontramos en la joyería (oro y plata), como materiales de construcción (hierro, cobre, aluminio) o en instalaciones eléctricas (cobre, hierro, plata) y su valor monetario es elevado, especialmente el del oro, la plata y el cobre. Sin embargo, la mayoría de la población conocemos estos metales en su forma comercial y utilitaria, pero ignoramos cómo es que se obtuvieron en esa forma y el porqué de su costo tan elevado. Estos y otros metales de interés comercial forman parte de la corteza terrestre, a veces concentrados en vetas regionalizadas (como en Taxco, Gro.; La Valenciana, Gto.; Fresnillo, Zac.; Cananea, Son.; etc.), de donde son recolectados a gran escala, en sitios conocidos como minas; algunas excavando tiros y túneles y otras 'a cielo abierto'. Originalmente, los elementos metálicos se encuentran como parte de la composición de las rocas y minerales; están normalmente mezclados con otros metales o compuestos que carecen de un valor económico y que, además, pueden representar un riesgo de toxicidad para plantas, animales y, asimismo, en poblaciones humanas.

 

 

Jales mineros y drenaje ácido de minas

Para obtener los metales como los conocemos es necesario someter las rocas a un proceso de trituración, para posteriormente separar los metales de interés por diferentes métodos que requieren, por ejemplo, agregar sustancias químicas, ácidos, mucha agua, compuestos reductores, etc. Se calcula que, a partir de 1 tonelada de roca con oro, solo se logran extraer 10 kg de oro en el mejor de los casos, el resto (~990 kg) se convierten en residuos a los que se les conoce comúnmente como "jales mineros" [Fig. 1]. Es decir, esos jales mineros son finalmente rocas trituradas que contienen cantidades variables de otros elementos, algunos dentro del grupo de los 'metales pesados'.

Es importante mencionar a los metales pesados ya que su presencia (ingesta en muy pequeñas cantidades) o contacto (prolongado) en los seres vivos, implica serios riesgos a la salud. Los elementos mencionados son: cadmio, cobre, zinc, plomo, mercurio, cromo, aluminio y arsénico. Por ejemplo, el consumo de cobre se asocia con úlceras de la piel y cáncer, mientras que el arsénico ocasiona daño neurológico e incluso la muerte. Aunque estos metales pesados están secuestrados bajo tierra a grandes profundidades y no representan ningún riesgo, cuando son extraídos colateralmente por la minería y depositados sobre predios o vertientes fluviales, sus condiciones cambian. En la superficie se combinan con el aire, el agua de lluvia o la humedad y están en contacto con algunos microorganismos. El resultado de esta combinación es la formación de agua ácida, también conocida como "drenaje ácido de mina" debido a su origen asociado con los jales de las minas [Fig. 1]. Esta mezcla contiene una gran variedad de compuestos derivados de metales pesados que se dispersan en el agua y los suelos, generando fuentes de contaminantes que ---si no se procesan adecuadamente--- incrementan el riesgo de toxicidad para el humano por medio del riego en tierras agrícolas; del agua extraída de pozos y hasta en basureros [1]. El drenaje ácido de mina también se genera en el interior de las minas abandonadas donde los residuos con estos ingredientes están presentes. Adicionalmente, el drenaje ácido de mina no solo se genera como consecuencia de las acciones humanas; también hay formaciones rocosas que, de manera natural son capaces de generar agua ácida. En España, por ejemplo, existe el llamado 'Río Tinto' con una corriente color rojizo, derivada de su origen en una zona con afloramientos ferrosos (pirita y calcopirita) y también, de la actividad minera circundante [Fig. 2].

 

 

Las aguas residuales como recurso

El agua es un recurso vital muy afectado por las actividades humanas, entre ellas la minería y, por si fuera poco, está relacionado con el volumen desorbitante de aguas residuales que generan las actividades de ciudades y municipios. En México, solo se trata aproximadamente el 50% del agua residual municipal debido a la falta de infraestructura y a los costos asociados para su tratamiento [2]. Hasta hace poco, el tratamiento de las aguas negras y del drenaje ácido de mina, se habían abordado siempre como procesos independientes. No obstante, algunos grupos de investigación y otros colegas hemos contribuido recientemente con estudios donde se ha evaluado la descontaminación de aguas negras y de drenaje ácido de mina de forma simultánea. Esto es posible dentro de un dispositivo que emplea microorganismos para limpiar las aguas negras y colateralmente promueve la eliminación de metales pesados del drenaje ácido de mina ([1], ver también Biotecmov Núm. 17, número especial sobre soluciones a problemas ambientales).

Optimizando soluciones compatibles

El dispositivo donde se llevó a cabo este proceso de tratamiento se le conoce como celda de combustible microbiana, consiste en dos cámaras donde se procesan ambos tipos de residuos, cada una bajo condiciones particulares (en una de ellas participan microorganismos en con capacidades especiales [3]). Las cámaras están separadas por una membrana de intercambio de protones (H⁺) pero que funcionalmente, trabajan en conjunto para incluso generar (bio)electricidad [Fig. 3 A y B]. En una de las cámaras es donde se lleva a cabo la oxidación anaerobia de residuos orgánicos (degradación microbiana en ausencia de oxígeno) y en la otra, las reacciones de reducción (que elimina iones de metales pesados, recuperándolos como precipitados menos tóxicos en forma metálica).

Los electrones generados por la actividad microbiana ---la que oxida parcialmente moléculas orgánicas y algunos compuestos inorgánicos del agua residual--- son captados por una barra de grafito (que actúa como ánodo, o polo negativo). Mientras, los protones que sí pueden atravesar la membrana viajan a la cámara catódica (con potencial positivo) donde, otros iones en la solución del agua ácida son los aceptores de electrones disponibles. En la cámara catódica existe otra barra de grafito (conectada a la barra de grafito del ánodo y donde se mide la corriente), donde se reciben los electrones que vienen de la cámara anódica y que son empleados para cambiar la composición química de la otra celda, especialmente la del estado de oxidación de algunos metales pesados que resultan en una menor toxicidad relativa.

 

 

Con este sistema aún experimental, y a través de diversas pruebas, obtuvimos que en un tiempo de 96 horas (y sin gastar energía para su funcionamiento), el dispositivo logró limpiar un 15% del contenido de las aguas negras, mientras que el drenaje ácido de mina se volvió un poco menos ácido y los principales metales pesados que se lograron remover parcialmente en un precipitado, fueron cadmio, cobre, hierro, aluminio, plomo y arsénico [1]. Como se ha mencionado, al acoplar estas dos reacciones 'limpiadoras' ---que se aplican por separado y a mayor escala en las plantas de tratamiento de agua y en algunas plantas recicladoras--- es posible la generación de electricidad (o bioelectricidad al ser impulsada por el metabolismo de ciertos microorganismos). Hemos calculado que a esta escala se podrían obtener aprox. 14 Watts por cada mil litros de aguas negras tratadas [Fig. 4], pero aún hay muchos aspectos que mejorar (incluir consorcios de microorganismos, otros componentes en los lodos activados, ampliar la superficie de contacto de electrodos, etc.), que pudieran incrementar la eficiencia y la escalabilidad de sistemas similares.

La mayoría de los artículos existentes en este campo, señalaban que la principal aplicación de las celdas de combustible microbianas era para limpiar agua residual proveniente de diferentes fuentes. No obstante, cada vez va aumentando el número de estudios sobre el uso de tecnologías acopladas para remover o incluso recuperar metales pesados a partir del drenaje ácido de mina, de modo que el potencial utilitario de esta tecnología continúa creciendo [4]. Las actividades extractivas no pueden bloquearse ni sustituirse ya que varios de estos materiales son indispensables para aplicaciones básicas en medicina, construcción, comunicaciones, transporte y otras. Tampoco es posible anular la generación de agua residual. Al mismo tiempo es importante proveer energía suficiente, aunque desarrollando fuentes de energía 'limpia', particularmente derivadas de la biomasa y la actividad microbiana [5].

 

 

En todo esto, lo deseable, necesario y casi obligatorio, es reducir varios flujos; canalizarlos correctamente y optimizar sistemas sustentables ---cuando menos con menor uso intensivo de agua, energía fósil y menos emisiones--- para reciclar, reutilizar y recircular recursos como el agua residual de cualquier tipo y los jales mineros.

Hay investigación, conocimiento y tecnologías que permiten utilizar, mimetizar y/o adecuar hasta donde es posible, diversos procesos biológicos que, como en este caso, permiten realizar tres de estas actividades en un solo paso.

 

Referencias

Parte de la información de este artículo fue originalmente publicado en revistas indexadas y de divulgación científica:

1. Vélez-Pérez LS, Ramírez-Nava J, Hernández-Flores G, Talavera-Mendoza O, Escamilla-Alvarado C, Poggi-Varaldo HM, Solorza-Feria O, López-Díaz JA (2020). Industrial acid mine drainage and municipal wastewater co-treatment by dual-chamber microbial fuel cells. Int J Hydrogen Energy 45: 13757--13766. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2019.12.037
2. Carreto-Morales EY, López-Díaz JA, Martínez-Castrejón M, Talavera-Mendoza O, Hernández-Flores G (2021). Sewage sludge from Taxco de Alarcón wastewater treatment plant as substrate to cultivate Panicum maximum. Rev Mex de Cienc Geol 38(3): 164-177. DOI:10.22201/cgeo.20072902e.2021.3.1617
3. Cornejo-Martell A, Hernández-Eligio JA, Juárez López K (2019). Limpiado el ambiente y generando energía. Biotecnología en Movimiento 17: 9-11 Disponible en: https://bit.ly/3NJZAKk
4. Wang H, Ren ZJ (2014). Bioelectrochemical metal recovery from wastewater: A review. Water Res 66: 219-232. DOI: 10.1016/j.watres.2014.08.013
5. Varios autores (2019). "Biorrefinerías y sustentabilidad" (MR Trejo & A Martínez, eds.) Biotecnología en Movimiento 27 (núm. especial), 36 pp. Disponible en: https://bit.ly/3Q0QsDg

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