04.05.2022 - Rice University

El proceso de Rice pretende eliminar el amoníaco de las aguas residuales

El rutenio y el cobre catalizan una forma más ecológica de producir productos químicos esenciales

Una pizca de átomos de rutenio en una malla de nanocables de cobre podría ser un paso hacia una revolución en la industria mundial del amoníaco que también ayude al medio ambiente.

Colaboradores de la Facultad de Ingeniería George R. Brown de la Universidad Rice, la Universidad Estatal de Arizona y el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico desarrollaron el catalizador de alto rendimiento que puede, con una eficacia cercana al 100%, extraer amoníaco y amoníaco sólido -también conocido como fertilizante- a partir de niveles bajos de nitratos que están muy extendidos en las aguas residuales industriales y en las aguas subterráneas contaminadas.

Un estudio dirigido por el ingeniero químico y biomolecular de Rice, Haotian Wang, muestra que el proceso convierte niveles de nitrato de 2.000 partes por millón en amoníaco, seguido de un eficiente proceso de extracción de gas para la recogida del producto de amoníaco. El contenido de nitrógeno restante tras estos tratamientos puede reducirse a niveles "potables" según la definición de la Organización Mundial de la Salud.

"Hemos logrado un proceso completo de desnitrificación del agua", afirma el estudiante de posgrado Feng-Yang Chen. "Con un tratamiento adicional del agua sobre otros contaminantes, podemos volver a convertir las aguas residuales industriales en agua potable".

Chen es uno de los tres autores principales del artículo que aparece en Nature Nanotechnology.

El estudio muestra una alternativa prometedora hacia procesos eficientes para una industria que depende de un proceso de alto consumo energético para producir más de 170 millones de toneladas de amoníaco al año.

Los investigadores sabían por estudios anteriores que los átomos de rutenio son los mejores para catalizar las aguas residuales ricas en nitratos. Su giro consistió en combinarlo con cobre, que suprime la reacción de evolución del hidrógeno, una forma de producir hidrógeno a partir del agua que en este caso es un efecto secundario no deseado.

"Sabíamos que el rutenio era un buen metal candidato para la reducción de los nitratos, pero también sabíamos que había un gran problema, que podía tener fácilmente una reacción de competencia, que es la evolución del hidrógeno", explica Chen. "Cuando aplicáramos corriente, muchos de los electrones irían a parar al hidrógeno, no al producto que queremos".

"Tomamos prestado un concepto de otros campos, como la reducción del dióxido de carbono, que utiliza el cobre para suprimir la evolución del hidrógeno", añadió Wang. "Luego tuvimos que encontrar una forma de combinar orgánicamente el rutenio y el cobre. Resulta que dispersar átomos de rutenio individuales en la matriz de cobre es lo que mejor funciona".

El equipo utilizó cálculos de la teoría funcional de la densidad para explicar por qué los átomos de rutenio facilitan el cruce de la ruta química que conecta el nitrato y el amoníaco, según el coautor Christopher Muhich, profesor adjunto de ingeniería química en la Universidad Estatal de Arizona.

"Cuando sólo hay rutenio, el agua se interpone en el camino", dijo Muhich. "Cuando sólo hay cobre, no hay suficiente agua para proporcionar átomos de hidrógeno. Pero en los sitios de rutenio único el agua no compite tan bien, proporcionando el hidrógeno suficiente sin ocupar lugares para que el nitrato reaccione".

El proceso funciona a temperatura ambiente y bajo presión ambiental, y a lo que los investigadores llamaron una corriente de reducción de nitrato "relevante para la industria" de 1 amperio por centímetro cuadrado, la cantidad de electricidad necesaria para maximizar la tasa de catálisis. Esto debería facilitar su ampliación, dijo Chen.

"Creo que esto tiene un gran potencial, pero ha sido ignorado porque ha sido difícil para los estudios anteriores alcanzar una densidad de corriente tan buena mientras se mantiene una buena selectividad del producto, especialmente bajo bajas concentraciones de nitrato", dijo. "Pero ahora estamos demostrando precisamente eso. Estoy seguro de que tendremos oportunidades de impulsar este proceso para aplicaciones industriales, especialmente porque no requiere grandes infraestructuras."

Una de las principales ventajas del proceso es la reducción de las emisiones de dióxido de carbono de la producción industrial tradicional de amoníaco. Éstas no son insignificantes, ya que suponen el 1,4% de las emisiones anuales del mundo, señalaron los investigadores.

"Aunque entendemos que la conversión de los residuos de nitrato en amoníaco puede no ser capaz de sustituir totalmente a la industria del amoníaco existente a corto plazo, creemos que este proceso podría contribuir significativamente a la producción descentralizada de amoníaco, especialmente en lugares con altas fuentes de nitrato", dijo Wang.

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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