Stanford investiga cómo transformar aguas residuales en materiales valiosos

Las aguas residuales son un elemento valioso. Esta afirmación se deduce de un nuevo estudio realizado por la Universidad de Stanford en la que varios ingenieros han investigado la manera de extraer materiales valiosos de las aguas residuales para su utilización a modo de fertilizante o en baterías que podrían abastecer a teléfonos, coches y aviones. El análisis, publicado recientemente en ACS ES&T Engineering, revela cómo optimizar los procesos eléctricos para transformar la contaminación por azufre. De ello se espera que contribuya en la generación de un tratamiento de aguas residuales asequible y alimentado por energía renovable que produzca agua potable.

Las dos vertientes utilitarias derivadas del tratamiento de las aguas residuales son reducir la contaminación ambiental y la capacidad de suministrar a las comunidades agua potable segura.

Actualmente los procesos para el tratamiento eficiente de aguas residuales producen sulfuros, un grupo de químicos nocivos que son peligrosos para las personas y los ecosistemas. Will Tarpeh, autor principal del estudio y profesor asistente de  ingeniería química afirma que “siempre estamos buscando formas de cerrar el ciclo en los procesos de fabricación de productos químicos. El azufre es un ciclo elemental clave con espacio para mejoras en la conversión eficiente de contaminantes de azufre en productos como fertilizantes y componentes de baterías”.

El auge en las técnicas de potailización del agua atienden hoy a la significante disminución de los suministros de agua dulce, particularmente en las regiones áridas. A partir de este fenómeno de desertización se ha intensificado el enfoque en el desarrollo de tecnologías que transformen las aguas residuales en potables. Los procesos de membrana que usan ambientes anaeróbicos o libres de oxígeno para filtrar aguas residuales son particularmente prometedores porque requieren relativamente poca energía. A pesar de ello, estos procesos producen sulfuro, un compuesto que puede ser tóxico, corrosivo y maloliente. 

Soluciones

Las estrategias para paliar contratiempos como la oxidación química o el uso de ciertos químicos para convertir el azufre en sólidos separables, pueden generar subproductos y provocar reacciones químicas que corroen las tuberías y dificultan la desinfección del agua. Una manera de lidiar con la producción de sulfuro en la filtración anaeróbica pasa por convertir el sulfuro en productos químicos utilizados en fertilizantes y material de cátodo para baterías de litio-azufre. El problema es que aún no se comprende del todo su ejecución.

Es aquí donde entran en juego Tarpeh y otros ingenieros, al proponerse dilucidar un enfoque rentable que no creara subproductos químicos. Los investigadores se centraron en la oxidación electroquímica del azufre, que requiere un bajo consumo de energía y posibilita un control preciso de los productos finales de azufre.

Si funcionara de manera efectiva, el proceso podría funcionar con energía renovable y adaptarse para tratar aguas residuales recolectadas de edificios individuales o ciudades enteras.

Utilizando la microscopía electroquímica de barrido, una técnica que facilita instantáneas microscópicas de las superficies de los electrodos mientras los reactores están en funcionamiento, los investigadores pudieron cuantificar las tasas de cada paso de la oxidación electroquímica del azufre junto con los tipos y cantidades de productos formados. Identificaron las principales barreras químicas para la recuperación de azufre, incluido el ensuciamiento de los electrodos y qué productos intermedios son los más difíciles de convertir. Descubrieron, entre otras cosas, que la variación de los parámetros operativos, como el voltaje del reactor, podría facilitar la recuperación de azufre de aguas residuales con bajo consumo de energía.

Creación de un marco

Estos y otros hallazgos aclararon las compensaciones entre la eficiencia energética, la eliminación de sulfuro, la producción de sulfato y el tiempo. Con ellos, los investigadores delinearon un marco para informar el diseño de futuros procesos electroquímicos de oxidación de sulfuro que equilibren la entrada de energía, la eliminación de contaminantes y la recuperación de recursos. 

La tecnología de recuperación de azufre en el futuro podría combinarse con otras técnicas, como la recuperación de nitrógeno de las aguas residuales para producir fertilizantes de sulfato de amonio. El Centro de Recuperación de Recursos de Codiga, una planta de tratamiento a escala piloto en el campus de Stanford, se espera que desempeñe un papel importante en la aceleración del diseño y la implementación futuros de estos enfoques.

“Con suerte, este estudio ayudará a acelerar la adopción de tecnología que mitigue la contaminación, recupere recursos valiosos y cree agua potable al mismo tiempo”, aclaró Xiaohan Shao, estudiante de doctorado en ingeniería civil y ambiental en Stanford.