TECNOLOGÍA. Desarrollan catalizador que transforma residuos renovables de carbono en combustibles

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El carbono residual de las granjas, las aguas residuales y otras fuentes se puede procesar en combustibles biológicos de alto grado más fácilmente con una nueva celda de flujo desarrollada por PNNL. En esta animación, la celda de flujo recibe biocrudo y aguas residuales de un proceso de licuefacción hidrotermal. Luego elimina el carbono de las aguas residuales, lo que permite reutilizar el agua limpia. El sistema incluso genera hidrógeno, un combustible valioso que se puede capturar, reduciendo el costo de toda la operación. Fuente: Sara Levine | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico

El proceso pendiente de patente elimina los contaminantes del biocombustible de las aguas residuales mediante un proceso sin aditivos que genera hidrógeno para alimentar su propia operación

El santo grial de los investigadores de biocombustibles es crear un proceso autosuficiente que convierta los desechos de aguas residuales, cultivos alimentarios, algas y otras fuentes renovables de carbono en combustibles, al mismo tiempo que mantiene el carbono residual fuera de nuestro medio ambiente y agua. Aunque se ha avanzado mucho en la transformación de esa basura en combustible utilizable, se ha demostrado que completar el ciclo con energía limpia es una nuez difícil de roer.

Un equipo de investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del Departamento de Energía de EE.UU., ha diseñado un sistema que logra precisamente eso. 

El sistema de recuperación de combustible por oxidación electrocatalítica del PNNL convierte lo que antes se pensaba que era carbono "de desecho" diluido e irrecuperable en sustancias químicas valiosas y al mismo tiempo produce hidrógeno útil. Debido a que se utiliza energía renovable, el proceso es neutro en carbono o incluso posiblemente negativo en carbono.

La clave para que todo funcione es un catalizador elegantemente diseñado que combina miles de millones de partículas de metal infinitesimalmente pequeñas y una corriente eléctrica para acelerar la conversión de energía a temperatura y presión ambiente.

Los métodos utilizados actualmente para tratar el biocrudo requieren hidrógeno a alta presión, que generalmente se genera a partir del gas natural. Sin embargo, el nuevo sistema puede generar ese hidrógeno por sí mismo y, al mismo tiempo, tratar las aguas residuales en condiciones cercanas a la atmosférica utilizando el exceso de electricidad renovable, lo que hace que su operación sea económica y potencialmente neutral en carbono.

Un sistema "hambriento"

El grupo de investigación probó el sistema en el laboratorio utilizando una muestra de aguas residuales de un proceso de conversión de biomasa a escala industrial durante más de 200 horas de operación continua sin perder eficiencia en el proceso. La única limitación era que la muestra de aguas residuales del equipo de investigación se había agotado.

“Es un sistema hambriento”, dijo López-Ruiz, director del equipo de investigadores. “La velocidad de reacción del proceso es proporcional a la cantidad de carbono residual que intenta convertir. Podría funcionar indefinidamente si tuviera aguas residuales para seguir ciclando”.

El sistema resuelve varios problemas que han plagado los esfuerzos para hacer de la biomasa una fuente económicamente viable de energía renovable.

Sabemos cómo convertir la biomasa en combustible. Pero todavía luchamos por hacer que el proceso sea energéticamente eficiente, económico y ambientalmente sostenible, especialmente para pequeñas escalas distribuidas. Este sistema funciona con electricidad, que puede provenir de fuentes renovables. Y genera su propio calor y combustible para seguir funcionando. Tiene el potencial de completar el ciclo de recuperación de energía.

A medida que la red eléctrica comienza a cambiar sus fuentes de energía hacia la integración de más energías renovables, tiene cada vez más sentido depender de la electricidad para satisfacer nuestras necesidades energéticas. 

El nuevo proceso usa electricidad para impulsar la conversión de compuestos de carbono existentes en las aguas residuales, en productos útiles mientras elimina impurezas como compuestos de nitrógeno y azufre.

Cerrando la brecha energética

La licuefacción hidrotermal (HTL) es un método muy eficiente para convertir el carbono residual húmedo en combustible. Este proceso, en esencia, acorta el tiempo requerido para producir combustibles fósiles naturales al convertir la biomasa húmeda en petróleo biocrudo denso en energía en horas en lugar de milenios. Sin embargo, el proceso es incompleto en el sentido de que las aguas residuales generadas como parte del proceso requieren un tratamiento adicional para obtener un valor agregado de lo que de otro modo sería un pasivo.

“Nos dimos cuenta de que la misma reacción (electro)química que eliminó las moléculas orgánicas de las aguas residuales también podría usarse para mejorar directamente el biocrudo a temperatura ambiente y presión atmosférica”, dijo López-Ruiz.

Aquí es donde entra en juego el nuevo proceso PNNL. El biocrudo sin refinar y las aguas residuales se pueden alimentar al sistema directamente desde una corriente de salida HTL u otros desechos húmedos. El proceso PNNL consiste en lo que se llama una celda de flujo donde las aguas residuales y el biocrudo fluyen a través de la celda y se encuentran con un entorno cargado creado por una corriente eléctrica. La célula en sí está dividida por la mitad mediante una membrana.

Un nuevo biorreactor de celda de flujo pendiente de patente desarrollado en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico puede purificar las aguas residuales (visto aquí) y generar hidrógeno para ayudar a impulsar el proceso. Fuente: Andrea Starr | Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico

La mitad cargada positivamente, llamada ánodo, contiene una delgada lámina de titanio recubierta con nanopartículas de óxido de rutenio. Aquí, el flujo de desechos se somete a una conversión catalítica, y el biocrudo se convierte en aceites útiles y parafina. Simultáneamente, los contaminantes solubles en agua, como el oxígeno y los compuestos que contienen nitrógeno, se someten a una conversión química que los convierte en gases de nitrógeno y oxígeno, componentes normales de la atmósfera. Las aguas residuales que emergen del sistema, con los contaminantes eliminados, pueden volver a introducirse en el proceso HTL.

En la mitad cargada negativamente de la celda de flujo, llamada cátodo, tiene lugar una reacción diferente que puede hidrogenar moléculas orgánicas (como las del biocrudo tratado) o generar gas hidrógeno, una fuente de energía emergente que los desarrolladores de la celda de flujo ven como una fuente potencial de combustible.

Reducir el uso de metales de tierras raras

Una desventaja importante de muchas tecnologías comerciales es su dependencia de los metales de tierras raras, a veces denominados metales del grupo del platino. La cadena de suministro mundial de estos elementos depende principalmente de tecnologías de extracción obsoletas que consumen mucha energía, usan enormes cantidades de agua y generan desechos peligrosos. Según el Departamento de Energía de EE.UU., que ha hecho del suministro interno una prioridad principal, las importaciones representan el 100 por ciento del suministro de los Estados Unidos para 14 de los 35 materiales críticos y más de la mitad de los otros 17.

El sistema aborda este problema mediante la incorporación de un método único de depósito de nanopartículas de los metales responsables de la conversión química. Estas partículas tienen un área de superficie grande, lo que requiere menos metal para hacer su trabajo. “Descubrimos que el uso de nanopartículas de metal en lugar de películas y láminas delgadas de metal reducía el contenido de metal y mejoraba el rendimiento electroquímico”, dijo López-Ruiz. 

Estos hallazgos se publicaron recientemente en el Journal of Applied Catalysis B: Environmental. El nuevo catalizador requiere 1.000 veces menos metal precioso, en este caso rutenio, que el que normalmente se necesita para procesos similares. Específicamente, el reactor de flujo a escala de laboratorio usa un electrodo con alrededor de 5 a 15 miligramos de rutenio, en comparación con alrededor de 10 gramos de platino para un reactor comparable.

Sobre esos inútiles compuestos de carbono

El equipo de investigación también ha demostrado que el proceso PNNL puede manejar el procesamiento de pequeños compuestos de carbono solubles en agua, subproductos que se encuentran en el flujo de aguas residuales de los procesos HTL actuales, así como muchos otros procesos industriales. 

Hay alrededor de una docena de estos pequeños compuestos de carbono endiabladamente difíciles de procesar en las corrientes de aguas residuales en bajas concentraciones. Hasta ahora, no ha habido una tecnología rentable para manejarlos. Estos compuestos de carbono de cadena corta, como el ácido propanoico y el ácido butanoico, se transforman en combustibles, como etano, propano, hexano e hidrógeno, durante el proceso recién desarrollado.

Un análisis preliminar de costos mostró que el coste de la electricidad requerida para hacer funcionar el sistema puede compensarse completamente ejecutando la operación a bajo voltaje, usando propano o butano para generar calor y vendiendo el exceso de hidrógeno generado. Estos hallazgos se publicaron en la edición de julio de 2020 del Journal of Applied Electrochemistry.

Battelle, que administra y opera PNNL para el gobierno federal, solicitó una patente estadounidense para el proceso electroquímico. CogniTek Management Systems (CogniTek), una empresa global que comercializa productos energéticos y soluciones tecnológicas, obtuvo la licencia de la tecnología de PNNL. CogniTek integrará la tecnología de tratamiento de aguas residuales de PNNL en los sistemas de procesamiento de biomasa patentados que CogniTek y sus socios estratégicos están desarrollando y comercializando. 

Su objetivo es la producción de biocombustibles, como el biodiésel y los biocombustibles para aviones. Además del acuerdo de comercialización, PNNL y CogniTek colaborarán para ampliar el reactor de tratamiento de aguas residuales de escala de laboratorio a escala de demostración.

Fuentes: “Anodic electrocatalytic conversion of carboxylic acids on thin films of RuO2, IrO2, and Pt” by Yang Qiu, Juan A. Lopez-Ruiz, Udishnu Sanyal, Evan Andrews, Oliver Y. Gutiérrez and Jamie D. Holladay, 25 June 2020, Applied Catalysis B: Environmental.
DOI: 10.1016/j.apcatb.2020.119277

“Electrocatalytic valorization into H2 and hydrocarbons of an aqueous stream derived from hydrothermal liquefaction” by Juan A. Lopez-Ruiz, Yang Qiu, Evan Andrews, Oliver Y. Gutiérrez and Jamie D. Holladay, 9 July 2020, Journal of Applied Electrochemistry.
DOI: 10.1007/s10800-020-01452-x

“Electrocatalytic decarboxylation of carboxylic acids over RuO2 and Pt nanoparticles” by Yang Qiu, Juan A. Lopez-Ruiza, Guomin Zhu, Mark H. Engelhard, Oliver Y. Gutiérrez and Jamie D. Holladay, 1 January 2022, Applied Catalysis B: Environmental.
DOI: 10.1016/j.apcatb.2021.121060

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