El nuevo sistema de reactor podría descarbonizar la producción de amoníaco y tratar agua contaminada con nitratos.
El amoníaco desempeña un papel crítico en el sostenimiento de la producción de alimentos para la creciente población mundial, pero su fabricación representa aproximadamente el 2% del consumo global de energía y el 1,4% de las emisiones de dióxido de carbono. Ingenieros de la Universidad de Rice han desarrollado un diseño de reactor revolucionario que podría descarbonizar la producción de amoníaco, al mismo tiempo que mitiga la contaminación del agua.
En un estudio publicado en Nature Catalysis, un equipo de ingenieros de Rice liderado por Haotian Wang describió el desarrollo de un nuevo sistema de reactor que convierte los nitratos —contaminantes comunes en las aguas residuales industriales y escorrentías agrícolas— en amoníaco, un químico vital no solo para los fertilizantes, sino también en una amplia gama de productos industriales y comerciales, desde limpiadores domésticos hasta plásticos, explosivos e incluso combustible.
Actualmente, el amoníaco es uno de los químicos más producidos a nivel mundial, con una demanda global que supera los 180 millones de toneladas anualmente. La principal forma de fabricar amoníaco es el proceso de Haber-Bosch, que implica una reacción entre hidrógeno y nitrógeno que ocurre bajo condiciones de alta temperatura y presión, y que 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.
Ventajas de la síntesis electroquímica
Según Feng-Yang Chen, estudiante de posgrado en Rice y autor principal del estudio, «la electroquímica puede llevarse a cabo a temperatura ambiente, es más adecuada para formatos escalables en diferentes sistemas de infraestructura, y tiene la capacidad de ser alimentada por energía renovable descentralizada«. Sin embargo, el desafío actual para esta tecnología es que se requieren grandes cantidades de productos químicos aditivos 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 soporte, un problema que ha obstaculizado intentos previos de convertir nitratos en amoníaco de manera sostenible. Además, alimentar el proceso de conversión con energía renovable esencialmente haría que la producción de amoníaco sea neutra en carbono.
Producción de amoníaco y agua purificada
«Realizamos experimentos donde hicimos fluir agua contaminada con nitratos a través de este reactor y medimos la cantidad de amoníaco producida y la pureza del agua tratada«, dijo Chen, quien está cursando un doctorado en ingeniería química y biomolecular bajo la supervisión de Wang. «Descubrimos que nuestro novedoso sistema de reactor podría convertir agua contaminada con nitratos en amoníaco puro y agua limpia de manera muy eficiente, sin la necesidad de químicos adicionales. En términos simples, se introduce agua residual y se obtiene amoníaco puro y agua purificada«.
El nuevo sistema de reactor posibilita una vía de conversión electroquímica de nitrato a amoníaco que eliminaría la necesidad de la desnitrificación, el proceso mediante el cual las plantas de tratamiento de aguas residuales eliminan los nitratos del agua contaminada, generando nitrógeno que se alimenta al proceso de Haber-Bosch. Además de evitar tanto la desnitrificación tradicional como las rutas de Haber-Bosch, este enfoque proporciona un método eficaz de descontaminación del agua.
Impacto ambiental y futuro
Pedro Álvarez, Profesor George R. Brown de Ingeniería Civil y Ambiental, y director del Centro de Investigación de Ingeniería de Nanosistemas para el Tratamiento de Agua Habilitado por Nanotecnología (NEWT) y del Instituto de Investigación y Emprendimiento de Tecnologías del Agua (WaTER) en Rice, señaló que «el nitrato es uno de los contaminantes prioritarios que más frecuentemente viola los estándares de agua potable, y es una preocupación significativa en las ciudades en crecimiento, ya que las tierras agrícolas con suministros de agua subterránea contaminados con nitratos se convierten en zonas urbanas«.
Según Álvarez, «la eliminación convencional de nitratos en el tratamiento de agua potable implica intercambio iónico o filtración por membrana mediante ósmosis inversa, lo que genera salmueras y transfiere el problema del nitrato de una fase a otra«. «La innovación del profesor Wang es muy oportuna e importante, ya que ofrece una solución que elimina la toxicidad del nitrato y la responsabilidad asociada sin necesidad de añadir productos químicos de tratamiento«, añadió.
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 ayudar a orientar futuras investigaciones en otros procesos químicos ecológicos, transformando potencialmente la forma en que las industrias abordan los desafíos ambientales.
«Nuestros hallazgos sugieren un nuevo método más ecológico para abordar tanto la contaminación del agua como la producción de amoníaco, lo que podría influir en cómo las industrias y comunidades manejan estos desafíos«, dijo Wang, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular, ciencia e ingeniería de materiales y química en Rice. «Si queremos descarbonizar la red eléctrica y alcanzar los objetivos de cero emisiones netas para 2050, es urgente desarrollar formas alternativas de producir amoníaco de manera sostenible«.
«Realizamos experimentos donde hicimos fluir agua contaminada con nitratos a través de este reactor y medimos la cantidad de amoníaco producida y la pureza del agua tratada«, dijo Chen, quien está cursando un doctorado en ingeniería química y biomolecular bajo la supervisión de Wang. «Descubrimos que nuestro novedoso sistema de reactor podría convertir agua contaminada con nitratos en amoníaco puro y agua limpia de manera muy eficiente, sin la necesidad de químicos adicionales. En términos simples, se introduce agua residual y se obtiene amoníaco puro y agua purificada«.
El nuevo sistema de reactor posibilita una vía de conversión electroquímica de nitrato a amoníaco que eliminaría la necesidad de la desnitrificación, el proceso mediante el cual las plantas de tratamiento de aguas residuales eliminan los nitratos del agua contaminada, generando nitrógeno que se alimenta al proceso de Haber-Bosch. Además de evitar tanto la desnitrificación tradicional como las rutas de Haber-Bosch, este enfoque proporciona un método eficaz de descontaminación del agua.
Impacto ambiental y futuro
Pedro Álvarez, Profesor George R. Brown de Ingeniería Civil y Ambiental, y director del Centro de Investigación de Ingeniería de Nanosistemas para el Tratamiento de Agua Habilitado por Nanotecnología (NEWT) y del Instituto de Investigación y Emprendimiento de Tecnologías del Agua (WaTER) en Rice, señaló que «el nitrato es uno de los contaminantes prioritarios que más frecuentemente viola los estándares de agua potable, y es una preocupación significativa en las ciudades en crecimiento, ya que las tierras agrícolas con suministros de agua subterránea contaminados con nitratos se convierten en zonas urbanas«.
Según Álvarez, «la eliminación convencional de nitratos en el tratamiento de agua potable implica intercambio iónico o filtración por membrana mediante ósmosis inversa, lo que genera salmueras y transfiere el problema del nitrato de una fase a otra«. «La innovación del profesor Wang es muy oportuna e importante, ya que ofrece una solución que elimina la toxicidad del nitrato y la responsabilidad asociada sin necesidad de añadir productos químicos de tratamiento«, añadió.
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 ayudar a orientar futuras investigaciones en otros procesos químicos ecológicos, transformando potencialmente la forma en que las industrias abordan los desafíos ambientales.
«Nuestros hallazgos sugieren un nuevo método más ecológico para abordar tanto la contaminación del agua como la producción de amoníaco, lo que podría influir en cómo las industrias y comunidades manejan estos desafíos«, dijo Wang, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular, ciencia e ingeniería de materiales y química en Rice. «Si queremos descarbonizar la red eléctrica y alcanzar los objetivos de cero emisiones netas para 2050, es urgente desarrollar formas alternativas de producir amoníaco de manera sostenible«.
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