Un método puramente mecánico puede producir un fertilizante novedoso, más sostenible y menos contaminante. Ese es el resultado de un método optimizado en la fuente de luz PETRA III de DESY.
por Deutsches Elektronen-Synchrotron
Un equipo internacional utilizó PETRA III para optimizar el método de producción que es una adaptación de una técnica antigua: al moler dos ingredientes comunes, urea y yeso, los científicos producen un nuevo compuesto sólido que libera lentamente dos elementos químicos críticos para la fertilización del suelo: nitrógeno, y calcio.
El método de molienda es rápido, eficiente y limpio, al igual que el producto fertilizante, que tiene el potencial de reducir la contaminación por nitrógeno que ensucia los sistemas de agua y contribuye al cambio climático. Los científicos también descubrieron que su proceso es escalable; por lo tanto, podría ser potencialmente implementado industrialmente. Los resultados de los científicos de DESY; el Instituto Ruđer Bošković (IRB) en Zagreb, Croacia; y la Universidad de Lehigh en los EE.UU. han sido publicados en la revista Green Chemistry . El nuevo fertilizante aún debe probarse en el campo.
Durante varios años, los científicos de DESY y el IRB han estado colaborando para explorar los fundamentos de los métodos mecánicos para iniciar reacciones químicas . Este método de procesamiento, llamado mecanoquímica, utiliza varios insumos mecánicos, como compresión, vibración o, en este caso, molienda, para lograr la transformación química. «La mecanoquímica es una técnica bastante antigua», dice Martin Etter, científico de línea de luz en la línea de luz P02.1 en PETRA III. «Durante miles de años, hemos estado moliendo cosas, por ejemplo, granos para pan. Solo ahora estamos comenzando a observar estos procesos mecanoquímicos más intensamente usando rayos X y viendo cómo podemos usar esos procesos para iniciar reacciones químicas.»
La línea de luz de Etter es una de las pocas en el mundo donde la mecanoquímica se puede realizar y analizar de forma rutinaria utilizando rayos X de un sincrotrón. Etter ha pasado años desarrollando la línea de luz y trabajando con los usuarios para perfeccionar los métodos de análisis y optimización de las reacciones mecanoquímicas. El resultado ha sido una configuración de experimento de renombre mundial que se ha utilizado para estudiar muchos tipos de reacciones importantes para la ciencia de los materiales , la catálisis industrial y la química verde.
«En realidad, la configuración mecanoquímica de DESY es probablemente la mejor del mundo», dice Krunoslav Užarević del IRB en Zagreb. «En pocos lugares se puede monitorear el progreso de las reacciones mecanoquímicas tan bien como aquí en DESY. Habría sido prácticamente imposible lograr este resultado sin la experiencia de Martin Etter y esta configuración de PETRA III».
Para este resultado, la colaboración de mecanoquímica se asoció con Jonas Baltrusaitis, profesor de ingeniería química en la Universidad de Lehigh. El equipo utilizó la configuración P02.1 para obtener información sobre los parámetros que rigen el proceso de molienda y optimizar las condiciones de reacción para preparar el fertilizante objetivo. La configuración en PETRA III permite una visión directa de la evolución de la mezcla de reacción mediante la aplicación de radiación de sincrotrón al recipiente de molienda. Esto significa que la reacción se puede observar sin detener el procedimiento. De este modo, los investigadores pudieron determinar las vías de reacción exactas y analizaron el resultado y la pureza del producto, lo que les ayudó a refinar el procedimiento mecánico sobre la marcha. Encontraron un procedimiento que permitía la conversión del 100 % de los materiales de partida en el fertilizante objetivo.
Ese producto final se conoce como «cocristal», un sólido con una estructura cristalina que comprende dos sustancias químicas diferentes que se estabiliza mediante interacciones intermoleculares más débiles en patrones repetidos. «Los cocristales se pueden ver como estructuras de LEGO», dice Etter. «Tienes juegos de dos tipos de dos ladrillos, y con estos dos ladrillos haces un patrón repetitivo». En este caso, los «ladrillos» son sulfato de calcio derivado del yeso y la urea. A través del proceso de molienda, la urea y el sulfato de calcio se unen entre sí.
«Por sí sola, la urea forma un cristal unido muy débilmente que se desmorona fácilmente y libera su nitrógeno con demasiada facilidad», dice Baltrusaitis. «Pero con el sulfato de calcio a través de este proceso mecanoquímico, se obtiene un cocristal mucho más robusto con una liberación lenta». La ventaja de este cocristal es que sus enlaces químicos son lo suficientemente débiles como para liberar nitrógeno y calcio, pero lo suficientemente fuertes como para evitar que los dos elementos se liberen a la vez.
Ese método de liberación es la gran ventaja del fertilizante. Por un lado, han evitado uno de los principales inconvenientes de los fertilizantes nitrogenados en uso desde la década de 1960. «El statu quo de los fertilizantes, por razones de seguridad alimentaria, es arrojar la mayor cantidad posible de nitrógeno y fósforo en los cultivos», dice Baltrusaitis. Se producen más de 200 millones de toneladas de fertilizante a través del proceso Haber-Bosch de más de un siglo de antigüedad, que atrapa el nitrógeno atmosférico en cristales de urea. De esto, solo alrededor del 47 por ciento es realmente absorbido por el suelo, y el resto se lava y causa interrupciones potencialmente masivas en los sistemas de agua. En el Mar del Norte y el Golfo de México, están creciendo masivas «zonas muertas», en las que la proliferación de algas alimentadas por el exceso de fertilizante absorbe todo el oxígeno disponible en el agua y, por lo tanto, mata la vida marina.
Además, la producción de fertilizantes comunes consume mucha energía y consume cada año el cuatro por ciento del suministro mundial de gas natural a través del proceso Haber-Bosch. El nuevo método brinda la oportunidad de reducir esa dependencia. «Si aumenta la eficiencia de esos materiales de urea en un 50 por ciento, necesita producir menos urea a través de Haber-Bosch, con todos los problemas relacionados con el consumo de energía, como la demanda de gas natural», dice Baltrusaitis. El procedimiento de molienda es rápido y muy eficiente, lo que da como resultado un fertilizante puro sin subproductos de desecho excepto agua. «No solo estamos proponiendo un fertilizante que funcione mejor», dice Baltrusaitis, «también estamos demostrando un método ecológico de síntesis».
Si bien el análisis de PETRA III involucró miligramos de fertilizante, el equipo de investigación dirigido por Baltrusaitis y Užarević logró ampliar sus procedimientos con la ayuda de los datos tomados en PETRA. Hasta el momento, pueden, con el mismo procedimiento y eficiencia, producir cientos de gramos de fertilizante. Como próximo paso, el equipo planea continuar escalando para hacer una versión industrial real de prueba de principio del proceso. Baltrusaitis ya está trabajando en una ampliación y prueba de fertilizante de cocristales para su aplicación en condiciones del mundo real.
«Más allá del producto, el proceso mecanoquímico prácticamente no genera subproductos ni desechos no deseados», dice Užarević del IRB. «Somos optimistas de que existe un fuerte potencial de aplicación en todo el mundo».
Más información: Ivana Brekalo et al, Ampliación de la síntesis de cocristales de yeso-urea agroquímica mediante mecanoquímica controlada térmicamente, Química e ingeniería sostenibles de ACS (2022). DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c00914
