[ad_1]
El nitrato, el principal contaminante nitrogenado en las aguas residuales agrícolas y municipales, proviene de las emisiones industriales y del ciclo biológico del nitrógeno. El reciclaje de nitrógeno de las aguas residuales contaminadas con nitratos para la síntesis de amoníaco es una técnica viable para reducir los riesgos de contaminación y promover la estabilidad socioeconómica.
Estudio: Red de nanofibras de cobre-polipirrol reconstruida electroquímicamente para la remediación de agua nitrada a pH neutro. Crédito de la foto: FotoDuets/Shutterstock.com
Un artículo de pre-prueba del Journal of Hazardous Materials describe el desarrollo de un sistema de nanofibras de polipirrol-cobre (PPy-Cu-E) reorganizado electroquímicamente in situ para convertir nitrato en amoníaco en un proceso de síntesis de amoníaco fácil utilizando un electrolito neutro (pH = 7.5)
Enfoques para la remediación de nitratos: descripción general y limitaciones
La contaminación por nitratos de los suelos cultivados o las actividades industriales puede alterar el ciclo normal del nitrógeno, amenazando los ecosistemas biofísicos y la salud pública. Tanto los métodos físicos como los biológicos se utilizan para eliminar el nitrato del medio ambiente.
A pesar de los avances técnicos en los enfoques basados en la física, todavía es un gran desafío separar de manera efectiva el nitrato con carga negativa de las aguas residuales salinas mixtas, lo que hace que la recuperación de elementos como el sulfato y el cloruro sea extremadamente difícil en su estado puro.
En las últimas décadas ha habido un gran interés en convertir el nitrato en gas nitrógeno inocuo mediante métodos biológicos. Sin embargo, la lenta actividad de las bacterias durante el proceso de síntesis de amoníaco limita severamente el uso de técnicas biológicas en aguas residuales altamente saturadas de nitrato.
Reducción de aguas residuales que contienen nitratos para la síntesis de amoníaco
Como recurso útil de nitrógeno, el amoníaco es importante para la industria de procesamiento. Porque el amoníaco, con su alta densidad de potencia y bajas emisiones, es un perfecto transportador de energía.
La síntesis de amoníaco se basa actualmente en un proceso establecido llamado técnica de Haber-Bosch, que solo funciona a altas temperaturas (300 a 500 °C) y presiones (200 a 300 bar). Al mismo tiempo, el hidrógeno requerido en el proceso Haber-Bosch generalmente se produce a partir de gas natural, que libera grandes cantidades de dióxido de carbono y causa un daño ecológico significativo.
Con la creciente demanda de amoníaco en la producción social, el uso de agua como fuente de hidrógeno para reducir el nitrato para la síntesis de amoníaco ha despertado la curiosidad de varios investigadores. Debido a que el amoníaco se puede extraer fácilmente de una solución que contiene nitrato utilizando técnicas como la extracción con aire, la conversión electrocatalítica de nitrato en amoníaco es viable para la remediación de nitrato.
Desafíos relacionados con la reducción de nitratos y la síntesis de amoníaco
El complicado proceso de transporte que involucra nueve protones y ocho electrones durante los procesos de reducción de nitrato limita severamente la eficiencia y el rendimiento de la síntesis de amoníaco. Además, las aguas residuales cargadas de nitratos suelen ser ácidas, mientras que una solución electrolítica neutra es más práctica en los procesos industriales.
Los catalizadores a base de cobre se han estudiado ampliamente para la reducción de nitrato electrocatalítica debido a su fuerte capacidad de absorción de nitrato, estructura electrónica ajustable y potencial para suprimir el proceso de evolución de hidrógeno. Sin embargo, los enfoques actuales sufren de tasas de emisión de amoníaco muy bajas en entornos neutrales.
En este contexto, mejorar la composición electrónica de las sustancias a base de cobre para acelerar el transporte de electrones podría ser un método valioso para aumentar el rendimiento de los procesos de reducción de nitratos y la síntesis de amoníaco.
Mejora de la eficiencia de las reacciones de reducción de nitrato
El polipirrol (PPy) es un polímero altamente conductivo ampliamente utilizado como sustancia catódica debido a su fuerte conductividad eléctrica y penetración. El acoplamiento de PPy con catalizadores metálicos como el cobre permite un área de contacto catalítico más grande y más sitios activos que los catalizadores de aleación tradicionales.
La adición de PPy a la estructura del catalizador a base de cobre mejora las capacidades electrocatalíticas del catalizador aumentando la interfaz entre los catalizadores y el nitrato, cambiando el modo de transferencia de electrones e inmovilizando el hidronio para proporcionar protones en el sistema de reducción neutral.
Los investigadores de este trabajo crearon un híbrido de metal y polímero conductor (PPy-CuO) para convertir nitrato en amoníaco utilizando una técnica de síntesis de amoníaco simple teniendo en cuenta los factores anteriores. El contacto electrostático entre el PPy cargado positivamente y el nitrato cargado negativamente permite que el PPy-CuO así producido atraiga el nitrato a su matriz conductora.
Desarrollos clave del estudio
A lo largo del proceso de reducción de nitrato electrocatalítico, se logró la reparación in situ de PPy-CuO mediante la combinación de metal de cobre asequible con PPy cargado positivamente. La reconstrucción aumentó el área de superficie activa del compuesto de polímero y metal (PPy-CuO), lo que resultó en más sitios de cobre activos reconstruidos para la síntesis de amoníaco.
El sistema electrocatalítico desarrollado mostró un rendimiento constante y eficiente para la síntesis de amoníaco mediante el uso de efluentes de galvanizado reales como catolito. Como resultado, el sistema presentado proporciona una técnica viable para la recuperación de nitrógeno de aguas residuales contaminadas con nitratos y demuestra cómo se puede fabricar un electrocatalizador eficaz para la síntesis de amoníaco en electrolitos neutros.
Relación
Li, Z. et al. (2022). Red de nanofibras de cobre-polipirrol reconstruida electroquímicamente para la remediación de aguas nitradas a pH neutro. Diario de materiales peligrosos. Disponible en: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129828
[ad_2]