El amoníaco rara vez aparece en los titulares, pero gran parte de la vida moderna depende de él. El compuesto de nitrógeno e hidrógeno es un ingrediente clave en los fertilizantes que ayudan a alimentar aproximadamente a la mitad de la población mundial. También está ganando mucha atención como combustible libre de carbono para barcos, centrales eléctricas y la industria pesada.
El problema es cómo lo hacemos. Casi todo el amoníaco del mundo proviene del proceso Haber-Bosch, una tecnología centenaria que fuerza el nitrógeno del aire y el hidrógeno a unirse a temperaturas de 400 a 500 C y presiones más de 200 veces la atmosférica.
Funciona muy bien, pero también consume mucha energía. Este proceso consume alrededor del dos por ciento del suministro de energía mundial y produce entre uno y dos por ciento de las emisiones globales de dióxido de carbono.
Nuestra investigación en la Universidad McMaster apunta a un camino diferente: utilizar electricidad renovable para convertir el nitrato, uno de los contaminantes del agua más comunes, directamente en amoníaco.
En nuestro estudio publicado recientemente, mostramos cómo los catalizadores a base de hierro cuidadosamente diseñados pueden hacer que esta conversión sea más eficiente. Este enfoque aborda simultáneamente dos problemas ambientales. Elimina un contaminante dañino del agua y produce una sustancia química que el mundo necesita con urgencia.
El tiempo es importante. La Agencia Internacional de Energías Renovables predice que la demanda mundial de amoníaco podría acercarse a los 700 millones de toneladas por año para 2050, casi cuatro veces lo que se produce hoy, impulsada por la creciente demanda de alimentos y el creciente papel del amoníaco como portador de energía limpia. Satisfacer esa demanda con la tecnología actual daría lugar a décadas de emisiones.
Un problema creciente de contaminación
Las algas se asientan a lo largo de las costas y rocas en Poe Spring en el condado de Alachua, Florida. Las algas se forman por altos niveles de contaminación por nitrato y nitrógeno que ingresan al ecosistema de manantial. (Foto AP/Marta Lavandier)
La contaminación por nitratos es un problema generalizado y creciente. La escorrentía de los fertilizantes agrícolas, las aguas residuales municipales y los desechos industriales pueden transportar nitratos (un compuesto químico que contiene nitrógeno y oxígeno) a ríos, lagos y aguas subterráneas.
Una cantidad excesiva alimenta la proliferación de algas nocivas, degrada el agua potable y crea costosos desafíos de tratamiento para las ciudades y las industrias.
El tratamiento de agua convencional trata el nitrato convirtiéndolo en gas nitrógeno, que simplemente lo libera al aire.
Resuelve el problema de la contaminación, pero consume nitrógeno por completo; nitrógeno que generalmente absorbía enormes cantidades de energía de la atmósfera.
Hay una mejor opción. Utilizando electricidad procedente de energía eólica o solar, un reactor electroquímico puede convertir el nitrato del agua en amoníaco a temperatura ambiente y presión normal.
Sin calor extremo, sin presión y sin combustibles fósiles. En lugar de destruir el contaminante que proviene del uso de amoníaco como fertilizante, podemos reciclarlo y convertirlo en fertilizante o combustible de combustión limpia.
lo que descubrimos
El corazón de cualquier tecnología electroquímica es un catalizador: el material que inicia una reacción química. Diseñamos y probamos cuatro versiones del catalizador molecular a base de hierro, cada una modificada con un grupo químico diferente adherido a sus bordes.
Al comenzar, esperábamos que el ganador fuera el catalizador que moviera los electrones de manera más eficiente, lo cual es la sabiduría convencional en nuestro campo. Los experimentos, sin embargo, contaron una historia más interesante.
Resulta que la forma en que la superficie del catalizador reacciona con el agua y el nitrato disuelto es tan importante como qué tan bien conduce los electrones. La superficie del catalizador puede ser más o menos atractiva para el agua y más o menos acogedora para las moléculas de nitrato que intentan aterrizar en ella.
Estas propiedades controlan la facilidad con la que los ingredientes crudos (moléculas de agua y nitrato) llegan a los sitios activos donde realmente ocurre la química. Piense en ello como en una cocina ocupada: tener una estufa potente es importante, pero también lo es la facilidad con la que el cocinero puede acceder a los ingredientes.
En nuestro experimento, pasamos una corriente eléctrica a través de una solución acuosa que contiene nitratos, el mismo compuesto que se encuentra en las aguas residuales agrícolas y las aguas residuales industriales. En solución, una corriente eléctrica inicia una transformación química, convirtiendo el nitrato en amoníaco, molécula a molécula.
El catalizador de mejor rendimiento no sólo entregó electrones de manera eficiente; la química de su superficie también aceptaba moléculas de agua y nitrato, manteniendo los sitios activos bien abastecidos.
Se necesita más investigación
Planta de aguas residuales en San José, California. Las plantas de tratamiento de aguas residuales podrían utilizar el proceso para producir fertilizantes y combustible limpio. (Foto AP/Terri Chea)
Queremos tener claro dónde se encuentra esta tecnología. Nuestros experimentos se realizaron en condiciones de laboratorio controladas y aún quedan importantes desafíos de ingeniería antes de que la conversión electroquímica de nitrato pueda operar a escala industrial.
La siguiente fase de nuestra investigación se centra en abordar exactamente esa brecha: probar estos catalizadores a tasas más altas de producción de amoníaco, durante horas de funcionamiento más largas y en condiciones más complicadas utilizando aguas residuales reales. El objetivo es descubrir si los materiales que brillan en el laboratorio pueden resistir donde cuentan.
Si pueden, la recompensa podría ser sustancial. Las plantas de tratamiento de aguas residuales pueden convertirse en algo más que instalaciones que eliminan la contaminación; podrían convertirse en productores locales de fertilizantes y combustibles limpios, alimentados con electricidad renovable.
Las empresas de agua recibirían ingresos. Los agricultores obtendrían una fuente sostenible de nitrógeno y la industria química daría un paso hacia un modelo circular en el que los residuos se convierten en un recurso.
Ese futuro aún no está aquí. Pero cada avance científico y de ingeniería que nos permite producir amoníaco a partir de la contaminación en lugar de combustibles fósiles acerca ese futuro.
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