El futuro de los fertilizantes: amoniaco más sostenible

Además de ser un producto de limpieza protagonista en muchas casas, el amoniaco se considera el promotor de la “revolución verde”, el notable incremento de la productividad agrícola de mediados del siglo pasado. Sin embargo, el amoníaco en sí no es tan verde como sugiere su papel: su fabricación es responsable de un 1 % de la producción mundial de combustibles fósiles y produce un 1 % de las emisiones globales de dióxido de carbono. Un nuevo estudio da un paso importante hacia un proceso de producción de amoniaco menos nocivo para el medio ambiente.

El amoniaco, un ingrediente esencial en los fertilizantes, está compuesto de nitrógeno y oxígeno. Para fabricarlo, estos elementos se tienen que mezclar a temperaturas altísimas, de entre 300 y 500 ºC. Sin embargo, una vez formado, no es sencillo separarlo del resto del nitrógeno y el oxígeno que aún no han reaccionado: para hacerlo se necesita una temperatura de -20 ºC y una presión de 150-300 veces la atmosférica. Así, el amoniaco se condensa y se vuelve líquido, permitiendo separarlo de los otros dos gases.

Un proceso contaminante

Estos bruscos cambios de temperatura solo se logran a costa de grandes aportes de energía, que procede mayoritariamente de combustibles fósiles. Además, para aguantar estas temperaturas se requieren instalaciones adecuadas que no es posible encontrar en todos los lugares del mundo, con lo que se añade el coste medioambiental del transporte. Incluso la obtención del hidrógeno es contaminante, ya que normalmente se extrae del gas natural (compuesto en su mayoría por metano) y la reacción libera dióxido de carbono.

Por eso, muchos grupos de investigación exploran vías más sostenibles para conseguir amoniaco. Por ejemplo, se han propuesto catalizadores para acelerar la reacción química del amoniaco que operen a temperaturas y presiones menores. Sin embargo, extraer el amoniaco de la mezcla una vez que ha ocurrido la reacción sigue requiriendo grandes cantidades de energía.

En cualquier lugar del mundo

Para el equipo investigador, lo ideal sería tener una tecnología que permitiera a cualquier persona en cualquier lugar del mundo acceder al amoniaco, algo que actualmente solo ocurre en aquellas zonas que se pueden permitir contar con las instalaciones necesarias. Un reto importante por resolver es, precisamente, encontrar un material que permita captar y liberar grandes cantidades de amoniaco con el mínimo aporte de energía.

El nuevo estudio propone una manera de extraer el amoniaco en condiciones menos extremas. Aunque el propio equipo destaca que no han resuelto el problema completamente, sí constituye un avance importante para reducir las emisiones asociadas a la producción de amoniaco.

La propuesta consiste en un material poroso llamado red metal-orgánica que se adhiere al amoniaco a presiones moderadas y temperaturas de unos 175 ºC. Pero la red no se adhiere al hidrógeno ni al nitrógeno individualmente, de modo que permite extraer el amoniaco con cambios de temperatura menos extremos.

Como su nombre sugiere, las redes metal-orgánicas son compuestos formados por un metal y un componente orgánico (es decir, que contiene carbono). El metal se presenta en forma de iones o de conjuntos de átomos llamados clúster, que a su vez se adhieren al componente orgánico formando una estructura de una, dos o tres dimensiones. Su estudio, hoy en día, forma un campo de investigación en sí mismo.

Tiras de cobre

La innovación fundamental del nuevo estudio reside en una nueva variedad de red metal-orgánica que emplea átomos de cobre enlazados mediante una molécula orgánica (llamada ciclohexanocarboxilato) para crear una estructura rígida y muy porosa. Pero el amoniaco es muy corrosivo y otras redes similares se desintegraban al entrar en contacto con él.

Sin embargo, el amoniaco provocaba que esta red formara tiras de cobre y de un polímero que contenía una densidad de amoniaco muy elevada. Mejor aún, las tiras del polímero liberaban el amoniaco almacenado a temperaturas relativamente bajas en comparación con las que se necesitan normalmente, y, al hacerlo, devolvían la red al estado inicial: rígido y poroso.

Este proceso de absorción no es nada común, pero es la clave para que el nuevo método de extracción de amoniaco funcione. Además, la red metal-orgánica se puede adaptar para que sea capaz de liberar el amoniaco a una gama muy amplia de presiones. Esto quiere decir que se puede elegir la configuración de la red para que funcione a la presión adecuada para que ocurra la reacción de formación del amoniaco de la manera más eficiente, sin tener que modificarla a la hora de extraer el producto final. Hasta cierto punto, también se puede elegir la temperatura de funcionamiento, mejorando aún más la eficiencia global del proceso.

Pero las implicaciones del resultado podrían ir incluso más allá de la producción industrial de amoniaco. El equipo investigador aventura que el mecanismo que han diseñado podría extenderse a otras moléculas, también relevantes para la industria, que puedan adherirse fácilmente a los metales para facilitar su extracción.

QUE NO TE LA CUELEN:

• La invasión rusa de Ucrania también ha afectado al fertilizante. Debido al pronunciado incremento en el precio del gas en Europa, muchas plantas de amoniaco han reducido la producción de este compuesto y algunas incluso la han suspendido del todo. Además, antes de la invasión, Rusia exportaba más de cuatro millones de toneladas de amoniaco al año que abastecían principalmente a Marruecos, Turquía, el sureste asiático y África. Por ello, una tecnología que permitiera obtener amoniaco en cualquier lugar del mundo tendría profundas consecuencias a nivel global.

REFERENCIAS (MLA):

• Snyder, Benjamin, et al., “A ligand insertion mechanism for cooperative NH3 capture in metal–organic frameworks”. Nature, 2023. Springer Nature, http://dx.doi.org/10.1038/s41586-022-05409-2.