Convertir electroquímicamente el nitrato presente en aguas contaminadas en amoníaco podría convertirse en una solución medioambientalmente prometedora, tanto para el tratamiento del agua como para la producción de fertilizantes sin combustibles fósiles y de combustibles sin carbono. Sin embargo, encontrar una manera eficiente y asequible de lograrlo no ha resultado sencillo. Un equipo de investigación de la Universidad de Yale podría haber dado con la clave. Los resultados han sido publicados en la revista Nature Chemical Engineering. El nitrato, un contaminante común en aguas residuales, puede transformarse en amoníaco, que a su vez puede utilizarse como fertilizante, combustible libre de carbono u otros productos de valor. Las principales dificultades radican en lo que los investigadores denominan selectividad y actividad: es decir, lograr una conversión eficiente de nitrato en amoníaco generando la menor cantidad posible de subproductos, y hacerlo además a gran velocidad, explicó Lea Winter, profesora de ingeniería química y medioambiental en Yale y autora principal del estudio. Una de las estrategias más exploradas en este campo consiste en desarrollar electrocatalizadores más eficaces, es decir, materiales que favorezcan las reacciones de conversión. “Al manipular las propiedades del material, se puede hacer que el catalizador sea más activo y más selectivo”, señala Winter. Sin embargo, esta vía suele implicar materiales costosos y procesos de síntesis complejos. “Cuando se utilizan materiales caros y técnicas sofisticadas para crear estas nanoestructuras tan precisas, el coste se dispara”, añade. “Y si acabamos con un sistema caro por culpa de estos metales, deja de ser viable, sobre todo cuando hablamos de tratar aguas residuales contaminadas con nitratos”. Investigación mecanística del ionóforo TTM en la adsorción/desorción de nitrito y su impacto en la selectividad de los productos de la reducción de nitrato./Nature Chemical Engineering (2025). DOI: 10.1038/s44286-025-00237-3. La solución El equipo de Winter ha desarrollado un enfoque en dos fases. En primer lugar, incorporaron al sistema un ionóforo, una molécula que tiene afinidad por ciertos iones; en este caso, por el nitrito. Esta incorporación es clave porque el nitrito es un subproducto intermedio en la conversión de nitrato en amoníaco, y con frecuencia escapa al entorno antes de completar la conversión. “Nuestro truco consistió en añadir el ionóforo, que mantiene el nitrito cerca del sistema, permitiendo que se convierta completamente en amoníaco antes de que vuelva a liberarse al agua”, explica Winter. “Esa es la clave de la altísima selectividad hacia el amoníaco que hemos conseguido”. La segunda innovación consiste en una membrana electrificada fabricada con cobre y nanotubos de carbono, una plataforma electroquímica de conversión desarrollada en el laboratorio de Winter. Esta membrana permite transformar rápidamente el nitrato en amoníaco. “Una de las dificultades es que, al trabajar tan rápido la membrana, se genera mucho nitrito”, señala. “Pero al combinarla con el ionóforo, conseguimos una actividad muy alta y, al mismo tiempo, una gran selectividad hacia el amoníaco, sin tener que sacrificar ninguna de las dos cosas”. Frente a otros sistemas que priorizan o bien la actividad o bien la selectividad, el de Winter supera claramente a sus predecesores. Mientras otros métodos requieren horas, el suyo logra convertir el nitrato en amoníaco en tan solo seis segundos. Además, logra transformar el 92% del nitrato en amoníaco. Para comprobar su eficacia en condiciones reales, los investigadores ensayaron el sistema con agua de un lago cercano al campus de Yale y de una planta de tratamiento de aguas residuales de la Universidad de Connecticut. En ambos casos, el sistema demostró una estabilidad operativa sostenida durante varias horas. Además, según Winter, la flexibilidad de las membranas abre la puerta a una posible ampliación del sistema a escala industrial, compatible con los procesos convencionales de tratamiento de aguas. Lee el contenido original en Smart Water Magazine.
Convertir electroquímicamente el nitrato presente en aguas contaminadas en amoníaco podría convertirse en una solución medioambientalmente prometedora, tanto para el tratamiento del agua como para la producción de fertilizantes sin combustibles fósiles y de combustibles sin carbono. Sin embargo, encontrar una manera eficiente y asequible de lograrlo no ha resultado sencillo. Un equipo de investigación de la Universidad de Yale podría haber dado con la clave. Los resultados han sido publicados en la revista Nature Chemical Engineering.
El nitrato, un contaminante común en aguas residuales, puede transformarse en amoníaco, que a su vez puede utilizarse como fertilizante, combustible libre de carbono u otros productos de valor. Las principales dificultades radican en lo que los investigadores denominan selectividad y actividad: es decir, lograr una conversión eficiente de nitrato en amoníaco generando la menor cantidad posible de subproductos, y hacerlo además a gran velocidad, explicó Lea Winter, profesora de ingeniería química y medioambiental en Yale y autora principal del estudio.
Una de las estrategias más exploradas en este campo consiste en desarrollar electrocatalizadores más eficaces, es decir, materiales que favorezcan las reacciones de conversión. “Al manipular las propiedades del material, se puede hacer que el catalizador sea más activo y más selectivo”, señala Winter. Sin embargo, esta vía suele implicar materiales costosos y procesos de síntesis complejos. “Cuando se utilizan materiales caros y técnicas sofisticadas para crear estas nanoestructuras tan precisas, el coste se dispara”, añade. “Y si acabamos con un sistema caro por culpa de estos metales, deja de ser viable, sobre todo cuando hablamos de tratar aguas residuales contaminadas con nitratos”.
Investigación mecanística del ionóforo TTM en la adsorción/desorción de nitrito y su impacto en la selectividad de los productos de la reducción de nitrato./Nature Chemical Engineering (2025). DOI: 10.1038/s44286-025-00237-3.
La solución
El equipo de Winter ha desarrollado un enfoque en dos fases. En primer lugar, incorporaron al sistema un ionóforo, una molécula que tiene afinidad por ciertos iones; en este caso, por el nitrito. Esta incorporación es clave porque el nitrito es un subproducto intermedio en la conversión de nitrato en amoníaco, y con frecuencia escapa al entorno antes de completar la conversión. “Nuestro truco consistió en añadir el ionóforo, que mantiene el nitrito cerca del sistema, permitiendo que se convierta completamente en amoníaco antes de que vuelva a liberarse al agua”, explica Winter. “Esa es la clave de la altísima selectividad hacia el amoníaco que hemos conseguido”.
La segunda innovación consiste en una membrana electrificada fabricada con cobre y nanotubos de carbono, una plataforma electroquímica de conversión desarrollada en el laboratorio de Winter. Esta membrana permite transformar rápidamente el nitrato en amoníaco. “Una de las dificultades es que, al trabajar tan rápido la membrana, se genera mucho nitrito”, señala. “Pero al combinarla con el ionóforo, conseguimos una actividad muy alta y, al mismo tiempo, una gran selectividad hacia el amoníaco, sin tener que sacrificar ninguna de las dos cosas”.
Frente a otros sistemas que priorizan o bien la actividad o bien la selectividad, el de Winter supera claramente a sus predecesores. Mientras otros métodos requieren horas, el suyo logra convertir el nitrato en amoníaco en tan solo seis segundos. Además, logra transformar el 92% del nitrato en amoníaco.
Para comprobar su eficacia en condiciones reales, los investigadores ensayaron el sistema con agua de un lago cercano al campus de Yale y de una planta de tratamiento de aguas residuales de la Universidad de Connecticut. En ambos casos, el sistema demostró una estabilidad operativa sostenida durante varias horas. Además, según Winter, la flexibilidad de las membranas abre la puerta a una posible ampliación del sistema a escala industrial, compatible con los procesos convencionales de tratamiento de aguas.
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