Las granjas ganaderas del mundo generan más de 3.000 millones de toneladas de desperdicios animales cada año. Este gigantesco volumen equivale a más de 9.000 edificios como el Empire State. Ese estiércol contamina cuerpos de agua y libera humos nocivos y gases de efecto invernadero. Una nueva técnica de reciclaje de desechos animales podría reducir las cargas y recuperar sustancias químicas valiosas.
En vista de la enorme huella ecológica y la gran cantidad de materia que desechamos es necesario un cambio de paradigma: reconsiderar los residuos como una nueva fuente de materias primas. Son muchas las alternativas que se han ideado y aplicado en el mundo. Una es la biorrefinería, que a través de procesos de transformación de la materia prima (biomasa) genera bioenergía y un amplio abanico de bioproductos.
Una investigación publicada en Nature Sustainability explica que se puede utilizar la electricidad para descomponer los nutrientes orgánicos de los desechos animales y recuperar sustancias químicas valiosas. Las proyecciones iniciales sugieren que el valor estos químicos sería mayor que los costos de la técnica, lo que hace rentable su aplicación para los agricultores. Pueden funcionar bien en áreas rurales y agrícolas que están inundadas de estiércol y de electricidad renovable y barata proveniente de parques eólicos y solares.
De desechos animales a electricidad
Taeyoung Kim, químico de la Universidad Clarkson que no participó en el estudio, dijo que muchas operaciones ganaderas están intentando reciclar los desechos animales arrojándolos a estanques denominados lagunas de estiércol. Los sólidos ricos en amoníaco que se depositan en el fondo se pueden dragar y esparcir en las tierras de cultivo como fertilizante.
También se pueden utilizar microbios para descomponer gran parte de los desechos animales restantes en metano, que puede recolectarse y quemarse para generar electricidad. Sin embargo, incluso con tales tratamientos, se liberan grandes cantidades de amoníaco y otros compuestos al medio ambiente, lo que potenciala proliferación de algas y la muerte de peces.
En los últimos años, varios equipos han comenzado a explorar métodos electroquímicos para capturar el amoníaco y otras sustancias químicas valiosas de las lagunas de estiércol. En un estudio de laboratorio de 2021, Kim y sus colegas informaron sobre una configuración tipo batería que usaba una corriente eléctrica para impulsar iones de amonio cargados positivamente a través de una membrana. Concentrando el precursor del fertilizante y facilitando su recuperación. No obstante las configuraciones de membranas pueden ser difíciles de operar y costosas de ampliar.
Los investigadores dirigidos por la ingeniera ambiental Mohan Qin de la Universidad de Wisconsin-Madison y su colega de química Song Jin querían ver si podían eliminar la membrana adoptando un enfoque de dos etapas. Ambas etapas dependen de un material de electrodo de batería llamado hexacianoferrato de potasio y níquel (KNiHCF), que tiene una estructura en capas con espacios que permiten que los iones entren y salgan.
Reducir las cargas y aumentar las ganancias
Los científicos sumergieron, como un primer paso, un electrodo de KNiHCF en una solución sintética de aguas residuales animales. Por sí solo, el KNiHCF tiene hambre de electrones. Por ello espontáneamente atrae electrones de los compuestos orgánicos en las aguas residuales y los descomponen. Simultáneamente, a medida que se acumulan cargas negativas en el KNiHCF, los iones positivos son absorbidos de la solución y se abrieron paso entre las capas.
Los investigadores descubrieron que el espaciado de las capas en KNiHCF era ideal para atraer iones de amonio y potasio, en lugar de otros iones comunes, menos valiosos en el estiércol, como el sodio o el calcio. Kim dice que ese es «un beneficio importante» de la configuración.
En el segundo paso, los investigadores retiraron de la solución de aguas residuales el electrodo KNiHCF, ahora lleno de iones. Lo colocaron, junto con un segundo electrodo, en un segundo recipiente de agua limpia con un electrolito conductor de iones. Cuando aplicaron un voltaje, los electrones fluyeron hacia el segundo electrodo que creó una carga negativa que sacó los iones de amonio y potasio cargados positivamente del electrodo KNiHCF. Las cargas negativas en el segundo electrodo provocaron que el agua y el oxígeno de la solución reaccionaran en gas hidrógeno o peróxido de hidrógeno. Ambos químicos valiosos que podrían venderse junto con el amoníaco y el potasio recuperados.
Energía barata y menor impacto ambiental
El enfoque no es perfecto. Los electrodos KNiHCF se degradan con el uso repetido, un desafío que el grupo dice que está abordando. Pero los investigadores también llevaron a cabo un análisis para evaluar el potencial de la instalación para ampliarla y gestionar los residuos de una granja lechera de 1.000 vacas. Descubrieron que la operación con desechos animales podría generar suficientes sustancias químicas valiosas para producir una ganancia anual de hasta 200.000 dólares si la electricidad tuviera un precio de alrededor de 0,08 dólares por kilovatio hora (kWh), el promedio de Estados Unidos.
Jin señala que se espera que la energía renovable reduzca los costos de electricidad en algunas áreas rurales a alrededor de $0,03 por kWh para 2030. Los parques eólicos y solares a menudo producen más electricidad de la que la red eléctrica puede manejar. Lo que obliga a los ingenieros a deshacerse de la energía o apagar sus turbinas. «Si podemos combinar esto con la energía eólica y solar, podríamos diseñarlo para que utilice electricidad sólo cuando sea barata», afirma Jin..
El análisis económico no tuvo en cuenta los beneficios ambientales de reducir la contaminación por nutrientes aguas abajo. Dado lo eficiente que es el proceso general el tratamiento electroquímico podría capturar casi el 70% del amoníaco del estiércol. «Esta es una forma muy compacta y eficiente de abordar un viejo problema», apuntó
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