Agricultura Estados Unidos Fertilización y Riego

La técnica podría permitir una producción de fertilizantes más barata

La técnica podría permitir una producción de fertilizantes más barata
Una fotografía que muestra un modelo de un reactor electroquímico Haber-Bosch acoplado a un electrolizador de agua, con los reactores resaltados. Crédito: Instituto de Tecnología de Massachusetts

por Anne Trafton, Instituto de Tecnología de Massachusetts


La mayor parte de los fertilizantes del mundo se produce en grandes plantas de fabricación, que requieren enormes cantidades de energía para generar las altas temperaturas y presiones necesarias para combinar nitrógeno e hidrógeno en amoníaco.


Los ingenieros químicos del MIT están trabajando para desarrollar una alternativa a menor escala, que imaginan que podría usarse para producir fertilizantes localmente para los agricultores en áreas rurales remotas, como África subsahariana. El fertilizante es a menudo difícil de obtener en tales áreas debido al costo de transportarlo desde las grandes instalaciones de fabricación.

En un paso hacia ese tipo de producción a pequeña escala, el equipo de investigación ha ideado una forma de combinar hidrógeno y nitrógeno utilizando corriente eléctrica para generar un catalizador de litio, donde tiene lugar la reacción.

«En el futuro, si imaginamos cómo queremos que se use algún día, queremos un dispositivo que pueda respirar aire, tomar agua, tener un panel solar conectado y poder producir amoníaco. Esto podría ser utilizado por un agricultor o una pequeña comunidad de agricultores «, dice Karthish Manthiram, profesor asistente de ingeniería química en el MIT y autor principal del estudio.

El estudiante de posgrado Nikifar Lazouski es el autor principal del artículo, que aparece hoy en Nature Catalysis . Otros autores incluyen a los estudiantes graduados Minju Chung y Kindle Williams, y al estudiante universitario Michal Gala.

A menor escala

Durante más de 100 años, el fertilizante se ha fabricado mediante el proceso Haber-Bosch, que combina nitrógeno atmosférico con gas hidrógeno para formar amoníaco. El gas de hidrógeno utilizado para este proceso se obtiene generalmente a partir del metano derivado del gas natural u otros combustibles fósiles. El nitrógeno es muy poco reactivo, por lo que se requieren altas temperaturas (500 grados Celsius) y presiones (200 atmósferas) para que reaccione con el hidrógeno para formar amoníaco.

Con este proceso, las plantas de fabricación pueden producir miles de toneladas de amoníaco por día, pero su funcionamiento es caro y emiten una gran cantidad de dióxido de carbono. Entre todos los productos químicos producidos en gran volumen, el amoníaco es el mayor contribuyente a las emisiones de gases de efecto invernadero.

El equipo del MIT se propuso desarrollar un método de fabricación alternativo que pudiera reducir esas emisiones, con el beneficio adicional de la producción descentralizada. En muchas partes del mundo, hay poca infraestructura para distribuir fertilizantes, lo que hace que la obtención de fertilizantes sea costosa en esas regiones.

«La característica ideal de un método de próxima generación para producir amoníaco sería que se distribuye. En otras palabras, podría producir ese amoníaco cerca de donde lo necesita», dice Manthiram. «E idealmente, también eliminaría la huella de CO 2 que de otro modo existe».

Si bien el proceso de Haber-Bosch usa calor y presión extremos para forzar la reacción del nitrógeno y el hidrógeno, el equipo del MIT decidió intentar usar electricidad para lograr el mismo efecto. Investigaciones anteriores han demostrado que la aplicación de voltaje eléctrico puede cambiar el equilibrio de la reacción de modo que favorezca la formación de amoníaco. Sin embargo, ha sido difícil hacer esto de una manera económica y sostenible, dicen los investigadores.

La mayoría de los esfuerzos anteriores para realizar esta reacción a temperaturas y presiones normales han utilizado un catalizador de litio para romper el fuerte triple enlace que se encuentra en las moléculas de gas nitrógeno. El producto resultante, nitruro de litio, puede reaccionar con átomos de hidrógeno de un disolvente orgánico para producir amoníaco. Sin embargo, el solvente que se usa típicamente, tetrahidrofurano o THF, es caro y es consumido por la reacción, por lo que necesita ser reemplazado continuamente.

El equipo del MIT ideó una forma de utilizar gas hidrógeno en lugar de THF como fuente de átomos de hidrógeno. Diseñaron un electrodo en forma de malla que permite que el gas nitrógeno se difunda a través de él e interactúe con el hidrógeno, que se disuelve en etanol, en la superficie del electrodo.

Esta estructura de malla de acero inoxidable está recubierta con el catalizador de litio, que se produce mediante el recubrimiento de iones de litio de la solución. El gas nitrógeno se difunde a lo largo de la malla y se convierte en amoníaco a través de una serie de pasos de reacción mediados por litio. Esta configuración permite que el hidrógeno y el nitrógeno reaccionen a velocidades relativamente altas, a pesar del hecho de que normalmente no son muy solubles en ningún líquido, lo que dificulta su reacción a velocidades elevadas.

«Esta tela de acero inoxidable es una forma de poner en contacto de manera muy efectiva el gas nitrógeno con nuestro catalizador, al mismo tiempo que tiene las conexiones eléctricas e iónicas que se necesitan», dice Lazouski.

División de agua

En la mayoría de sus experimentos de producción de amoníaco, los investigadores utilizaron gases de nitrógeno e hidrógeno que fluían desde un cilindro de gas. Sin embargo, también demostraron que podían usar agua como fuente de hidrógeno, primero electrolizando el agua y luego haciendo fluir ese hidrógeno a su reactor electroquímico.

El sistema general es lo suficientemente pequeño como para colocarse en una mesa de laboratorio, pero podría ampliarse para producir mayores cantidades de amoníaco conectando muchos módulos, dice Lazouski. Otro desafío clave será mejorar la eficiencia energética de la reacción, que ahora es solo alrededor del 2 por ciento, en comparación con el 50 al 80 por ciento de la reacción de Haber-Bosch.

«Tenemos una reacción general que finalmente parece favorable, lo que es un gran paso adelante», dice. «Pero sabemos que todavía hay un problema de pérdida de energía que debe resolverse. Esa será una de las cosas más importantes que queremos abordar en el trabajo futuro que emprenderemos».

Además de servir como método de producción para pequeños lotes de fertilizante, este enfoque también podría prestarse para el almacenamiento de energía, dice Manthiram. Esta idea, que ahora persiguen algunos científicos, exige el uso de electricidad producida por energía eólica o solar para generar amoníaco. El amoníaco podría entonces servir como combustible líquido que sería relativamente fácil de almacenar y transportar.

«El amoníaco es una molécula tan crítica que puede desempeñar muchos papeles diferentes, y este mismo método de producción de amoníaco podría usarse en aplicaciones muy diversas», dice Manthiram.



WP Twitter Auto Publish Powered By : XYZScripts.com