Las aguas residuales de una persona son el tesoro de otra. Un nuevo estudio de la Universidad de Stanford allana el camino para extraer materiales valiosos de las aguas residuales que se utilizan en fertilizantes y baterías que algún día podrían alimentar teléfonos inteligentes y aviones. El análisis, publicado recientemente en ACS ES&T Engineering , revela cómo optimizar los procesos eléctricos para transformar la contaminación por azufre, y podría ayudar a generar un tratamiento de aguas residuales asequible y alimentado por energía renovable que genere agua potable.

"Siempre estamos buscando formas de cerrar el ciclo en los procesos de fabricación de productos químicos", dijo el autor principal del estudio, Will Tarpeh, profesor asistente de ingeniería química en Stanford. "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".

Una solución mejor

A medida que disminuyen los suministros de agua dulce, particularmente en las regiones áridas, se ha intensificado el enfoque en el desarrollo de tecnologías que conviertan las aguas residuales en agua potable. Los procesos de membrana que usan ambientes anaeróbicos o libres de oxígeno para filtrar aguas residuales son particularmente prometedores porque requieren relativamente poca energía. Sin embargo, estos procesos producen sulfuro, un compuesto que puede ser tóxico, corrosivo y maloliente. Las estrategias para abordar ese problema, como la oxidación química o el uso de ciertas sustancias químicas 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 solución tentadora para lidiar con la producción de sulfuro de la filtración anaeróbica radica en convertir el sulfuro en productos químicos utilizados en fertilizantes y material de cátodo para baterías de litio-azufre, pero los mecanismos para hacerlo aún no se comprenden bien. Entonces, Tarpeh y sus colegas se propusieron dilucidar un enfoque rentable que no crearía subproductos químicos.

Los investigadores se centraron en la oxidación electroquímica del azufre, que requiere un bajo consumo de energía y permite un control preciso de los productos finales de azufre. Mientras que algunos productos, como el azufre elemental, pueden depositarse en los electrodos y ralentizar las reacciones químicas, otros, como el sulfato, pueden capturarse y reutilizarse fácilmente. Si funcionara de manera efectiva, el proceso podría funcionar con energía renovable y adaptarse para tratar las aguas residuales recolectadas de edificios individuales o ciudades enteras.

Haciendo un uso novedoso de 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 cuantificaron 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.

Estos y otros conocimientos 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. Mirando hacia el futuro, la tecnología de recuperación de azufre también 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, probablemente desempeñará 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", dijo el autor principal del estudio, Xiaohan Shao, Ph.D. estudiante de ingeniería civil y ambiental en Stanford.

Tarpeh también es profesor asistente (por cortesía) de ingeniería civil y ambiental, miembro del centro (por cortesía) del Instituto Stanford Woods para el Medio Ambiente, académico afiliado al Programa de Agua, Salud y Desarrollo de Stanford, y miembro de Stanford Bio-X. El autor adicional, Sydney Johnson, era estudiante de pregrado en ingeniería química en Stanford en el momento de la investigación.