Un reactor produce amoníaco verde y agua purificada
Un nuevo sistema de reactores podría descarbonizar la producción de amoníaco y tratar las aguas contaminadas por nitratos
El amoníaco desempeña un papel fundamental en el mantenimiento de la producción de alimentos para la creciente población mundial, pero su fabricación supone alrededor del 2% del consumo mundial de energía y el 1,4% de las emisiones de dióxido de carbono. Los ingenieros de la Universidad Rice han desarrollado un revolucionario diseño de reactor que podría descarbonizar la producción de amoníaco y, al mismo tiempo, mitigar la contaminación del agua.
Haotian Wang (izquierda) y Feng-Yang Chen
Photo by Jeff Fitlow/Rice University
En un estudio, un equipo de ingenieros de Rice dirigido por Haotian Wang describió el desarrollo de un nuevo sistema de reactor que convierte los nitratos -contaminantes habituales en las aguas residuales industriales y las escorrentías agrícolas- en amoníaco, un producto químico vital utilizado no sólo en fertilizantes, sino también en una amplia gama de productos industriales y comerciales, desde limpiadores domésticos hasta plásticos, explosivos e incluso combustibles.
En la actualidad, el amoníaco es uno de los productos químicos más producidos en el mundo, con una demanda mundial que supera los 180 millones de toneladas anuales. La principal forma de fabricar amoníaco es el proceso Haber-Bosh, que implica una reacción entre hidrógeno y nitrógeno que se produce en condiciones de alta temperatura y presión y depende de una infraestructura centralizada a gran escala. Una alternativa a este proceso es la síntesis electroquímica, que implica el uso de electricidad para impulsar reacciones químicas.
"La electroquímica puede producirse a temperatura ambiente, se adapta mejor a formatos escalables para distintos sistemas de infraestructura y puede funcionar con energía renovable descentralizada", explica Feng-Yang Chen, estudiante de posgrado de Rice y autor principal del estudio. "Sin embargo, el reto actual de esta tecnología es que se necesitan grandes cantidades de aditivos químicos durante el proceso de conversión electroquímica. El reactor que hemos desarrollado utiliza iones reciclables y un sistema de tres cámaras para mejorar la eficiencia de la reacción."
Una de las innovaciones clave radica en el uso de un electrolito sólido poroso, que elimina la necesidad de altas concentraciones de electrolitos de apoyo, un problema que ha obstaculizado los intentos anteriores de convertir nitratos en amoníaco de forma sostenible. Además, si el proceso de conversión se alimentara con energía renovable, la producción de amoníaco sería neutra en carbono.
"Realizamos experimentos en los que hicimos pasar agua contaminada con nitratos por este reactor y medimos la cantidad de amoníaco producido y la pureza del agua tratada", explica Chen, que cursa un doctorado en ingeniería química y biomolecular bajo la supervisión de Wang. "Descubrimos que nuestro novedoso sistema de reactor podía convertir el agua contaminada con nitratos en amoníaco puro y agua limpia de forma muy eficiente, sin necesidad de productos químicos adicionales. En pocas palabras, se introducen las aguas residuales y se obtiene amoníaco puro y agua purificada".
El nuevo sistema de reactores hace posible una vía electroquímica de conversión de nitrato en amoníaco que eliminaría la necesidad de desnitrificación ⎯ el proceso por el que las plantas de tratamiento de aguas residuales eliminan los nitratos del agua contaminada, generando nitrógeno que se introduce en el proceso Haber-Bosch. Además de evitar las rutas tradicionales de desnitrificación y Haber-Bosch, este enfoque proporciona un método eficaz de descontaminación del agua.
Según Pedro Álvarez, catedrático George R. Brown de Ingeniería Civil y Medioambiental, director del Centro de Investigación en Ingeniería de Nanosistemas para el Tratamiento del Agua con Nanotecnología (NEWT) y del Instituto de Emprendimiento e Investigación en Tecnologías del Agua (WaTER) de Rice, "el nitrato es uno de los contaminantes prioritarios que con más frecuencia infringen las normas sobre agua potable, y es un problema importante en las ciudades en crecimiento, ya que las tierras de cultivo con aguas subterráneas contaminadas por nitratos se convierten en zonas de desarrollo urbano".
Según Álvarez, "la eliminación convencional de nitratos en el tratamiento del agua potable implica el intercambio iónico o la filtración por membrana mediante ósmosis inversa, que genera salmueras y transfiere el problema de los nitratos de una fase a otra".
"La innovación del profesor Wang es muy oportuna e importante, ya que ofrece una solución que elimina la toxicidad de los nitratos y la responsabilidad asociada sin necesidad de añadir productos químicos de tratamiento", dijo Álvarez.
Las implicaciones de este trabajo van más allá de la producción de amoníaco. El diseño del reactor y la evaluación tecnoeconómica que acompaña al estudio pueden servir de base para nuevas investigaciones sobre otros procesos químicos ecológicos, transformando potencialmente la forma en que las industrias afrontan los retos medioambientales.
"Nuestros hallazgos sugieren un método nuevo y más ecológico de abordar tanto la contaminación del agua como la producción de amoníaco, lo que podría influir en la forma en que las industrias y las comunidades abordan estos retos", dijo Wang, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular, ciencia de los materiales y nanoingeniería, y química en Rice. "Si queremos descarbonizar la red y alcanzar objetivos de cero emisiones netas para 2050, urge desarrollar formas alternativas de producir amoníaco de forma sostenible".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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