por Will Cushman, Universidad de Wisconsin-Madison
Un equipo interdisciplinario dirigido por científicos de la Universidad de Wisconsin-Madison ha desarrollado una nueva técnica que podría ayudar a los agricultores a extraer nutrientes útiles como amoníaco y potasio del estiércol del ganado para producir eficientemente fertilizantes y otros productos químicos útiles.
Si bien la estrategia aún necesita ampliarse más allá de una etapa de prueba de concepto, los análisis preliminares del grupo muestran que podría ofrecer beneficios considerables al reducir la contaminación del agua y del aire y, al mismo tiempo, crear productos que los agricultores podrían usar o vender.
El estiércol huele mal en parte porque contiene amoníaco, uno de los más de 300 compuestos que contribuyen a su olor. Este gas acre no solo es un contaminante atmosférico dañino, sino que también puede convertirse en óxido nitroso, gas de efecto invernadero, y nitrato, que contamina el agua.
El amoníaco también es la base de muchos fertilizantes nitrogenados que han impulsado la producción agrícola moderna. El método industrial de producción de amoníaco para fertilizantes nitrogenados, el proceso Haber-Bosch, consume mucha energía y emite cientos de millones de toneladas de gases de efecto invernadero al año.
Si bien el estiércol en sí puede utilizarse como fertilizante, hacerlo puede ser costoso, presentar dificultades logísticas y presentar inconvenientes ambientales. Por ello, investigadores de todo el mundo buscan estrategias para recuperar eficientemente el amoníaco del estiércol, creando fertilizantes más concentrados y valiosos, más ecológicos y de transporte más económico.
Entre estas estrategias se encuentran los procesos químicos impulsados por electricidad, que se están volviendo cada vez más económicos en muchas comunidades rurales gracias a la creciente generación de energía solar y eólica. Sin embargo, la mayoría de las técnicas electroquímicas en desarrollo aún no son prácticas, principalmente porque consumen mucha energía y no son lo suficientemente eficientes para extraer el amoníaco disuelto (en forma de iones de amonio) del estiércol.
Esta nueva técnica, descrita en un artículo publicado en la revista Nature Sustainability , se basa en un electrodo especialmente diseñado, como los que se utilizan para las baterías, que apunta a los iones de amonio.
La técnica consiste en un electrodo de níquel que se coloca directamente en las aguas residuales del estiércol. A medida que la materia orgánica del estiércol se oxida naturalmente por el electrodo, los iones de amonio y potasio presentes en las aguas residuales son introducidos selectivamente y capturados por el electrodo.
La estrategia no termina con simplemente eliminar los nutrientes de las aguas residuales.
En un paso innovador que podría hacer el proceso aún más atractivo, el electrodo cargado de nutrientes se coloca en un dispositivo que utiliza electricidad para liberar los iones de amonio y potasio recuperados, que pueden utilizarse para fabricar fertilizantes a base de nitrógeno y potasio, y simultáneamente producir otros productos químicos útiles. Estos podrían incluir combustible de hidrógeno o peróxido de hidrógeno, comúnmente utilizado para la desinfección.
«Tuvimos suerte porque la naturaleza hace gran parte del trabajo por nosotros», dice Song Jin, profesor de química de la Universidad de Wisconsin-Madison que dirigió el trabajo junto con el candidato a doctorado Rui Wang y el profesor de ingeniería civil y ambiental Mohan Qin.
«El estiércol contiene todo esto y no tenemos que hacer mucho trabajo extra», dice Jin. «El material de la batería entra y el amoníaco se succiona cuando la materia orgánica se oxida».
Las pruebas con pequeñas cantidades de estiércol recuperaron más de la mitad del amoníaco en la primera pasada, con una recuperación de alrededor del 85% después de dos ciclos.
La capacidad de producir fertilizantes y otros productos químicos conjuntamente es clave para que el equipo crea que su estrategia podría ser exitosa. Un análisis ambiental dirigido por Rebecca Larson, profesora del Instituto Nelson de Estudios Ambientales, indica que una explotación lechera de 1000 cabezas podría reducir sus emisiones de amoníaco en más del 50 % con la implementación del sistema, a la vez que reduce significativamente la cantidad de nitrato que entra en las aguas cercanas.
Mientras tanto, un análisis económico técnico preliminar dirigido por el profesor Fikile Brushett, colaborador del Instituto Tecnológico de Massachusetts, muestra que una granja lechera modelo que utilice el sistema podría esperar que los ingresos resultantes sean mayores que los costos operativos, siempre y cuando los precios de la electricidad no sean exorbitantes.
Los próximos pasos incluyen mejorar aún más los materiales y procesos, ampliar el sistema y estudiar su funcionamiento a un nivel más similar al de una explotación ganadera real. Jin se muestra optimista respecto a que, dados los análisis iniciales, los beneficios del sistema seguirán superando los posibles costos a estas mayores escalas.
«Parece realmente prometedor», afirma Qin. «Hay una vía para ver cómo esto podría ser realmente útil en el mundo real».
Más información: Rui Wang et al., Recuperación electroquímica de amoníaco y coproducción de sustancias químicas a partir de aguas residuales de estiércol, Nature Sustainability (2023). DOI: 10.1038/s41893-023-01252-z
