Los fertilizantes nitrogenados juegan un papel importante en la producción agrícola mundial. Casi la mitad de la población humana se sostiene con alimentos cultivados con fertilizantes. Aunque la atmósfera del planeta comprende aproximadamente el 78 por ciento nitrógeno, no viene en una forma reactiva que las plantas puedan utilizar. No fue hasta 1908 que los químicos desarrollado una técnica para convertir el nitrógeno de la atmósfera en un estado de nitrógeno sintético que las plantas podrían usar.
Esta técnica, llamada proceso Haber-Bosch, es cómo se captura nitrógeno del aire y se hace reaccionar con hidrógeno para producir amoníaco, un fertilizante eficaz que las plantas pueden absorber del suelo. Este proceso es el procedimiento industrial estándar para hacer amoníaco en la actualidad, pero representa aproximadamente 1,4 por ciento
“El hidrógeno en el amoníaco proviene de combustibles fósiles, como el gas natural, y el nitrógeno proviene del aire”, dice Saurajyoti Kar, investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Argonne. “El uso de combustibles fósiles como materia prima y fuente de energía para el proceso de conversión aumenta la penalización energética y ambiental de producir el fertilizante rico en nitrógeno utilizando [the] proceso de producción convencional”.
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Se prevé que el mercado mundial de amoníaco alcance $ 82.40 mil millones en 2026. Dado el uso intensivo de energía del proceso Haber-Bosch, los productores deben adoptar enfoques más ecológicos para satisfacer la creciente demanda de fertilizantes. En una reciente Ciencia del Medio Ambiente Total
Aguas residuales municipales en general contiene una alta concentración de nitrógeno y fósforo, dice Kar, quien participó en el estudio. En las instalaciones de tratamiento, las aguas residuales se tratan para reducir esta concentración y evitar problemas, como eutrofizaciónque puede conducir al crecimiento excesivo de algas, cuando se descarga en cuerpos de agua superficiales, agrega.
Al capturar el nitrógeno de las aguas residuales, los productores pueden evitar la producción intensiva de energía de amoníaco. Además, reutiliza el nitrógeno que ya está fijado en la atmósfera. “Una de las formas de capturar el nitrógeno en las instalaciones de tratamiento de aguas residuales es mediante extracción con aire”, dice Kar. “A una determinada temperatura del proceso, el exceso de amoníaco de la corriente de aguas residuales se transfiere de la fase líquida a la gaseosa, que puede reaccionar aún más con los ácidos para formar fertilizantes estables ricos en nitrógeno”.
Los autores realizaron un análisis del ciclo de vida y descubrieron que el amoníaco extraído con aire de las plantas de tratamiento de aguas residuales para producir fertilizantes ricos en nitrógeno produce seis veces menos emisiones de GEI que el proceso Haber-Bosch. La tecnología de separación por aire produce entre 0,2 y 0,5 kilogramos de equivalente de dióxido de carbono por kilogramo de sulfato de amonio, que es significativamente menor que los 2,5 kilogramos de equivalente de dióxido de carbono por kilogramo de sulfato de amonio del proceso Haber-Bosch. El uso de fuentes de energía renovables para el proceso de extracción de aire puede reducir aún más las emisiones.
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“El uso de fertilizantes nitrogenados basados en extracción de aire puede reducir la carga de emisiones de gases de efecto invernadero de la agricultura y contribuir a los objetivos de descarbonización de la agricultura”, dice Kar. El sector agrícola está compuesto 11 por ciento de las emisiones de GEI del país en 2020, incluyendo la aplicación de fertilizantes.
Además de los beneficios ambientales, las instalaciones de tratamiento de aguas residuales también pueden tener ventajas económicas. Si establecen la infraestructura para un sistema de extracción de aire, el costo de capital y los costos de operación pueden ser superados por los ingresos generados por la venta del amoníaco recuperado, dice Kar.
En general, el estudio demuestra que existe una alternativa más sostenible al proceso de producción de nitrógeno que consume mucha energía. Aunque la extracción con aire puede producir fertilizantes a menor escala que el proceso estándar de Haber-Bosch, la recuperación y reutilización de cualquier cantidad de nitrógeno aún ayuda a minimizar las emisiones de GEI y evita que los contaminantes lleguen a las fuentes de agua.