Performance of a Two-Stage Ammonia Removal Technology Based on Advanced Oxidation Processes: Effects of Operating Conditions

El aire que huele a amoníaco es más que una simple molestia desagradable; es un contribuyente significativo al daño ambiental. Cuando se libera en la atmósfera, principalmente debido a las actividades agrícolas, este gas ayuda a formar partículas finas que degradan la calidad del aire, acidifican el suelo y el agua, y causan una sobrecarga de nutrientes en los ecosistemas. A medida que las normas ambientales se vuelven más estrictas, el desafío no es solo eliminar este gas de las corrientes de desechos, sino hacerlo sin crear nuevos problemas, como aguas residuales costosas o altos costos energéticos. Los científicos han buscado durante mucho tiempo en los procesos de oxidación avanzada una solución. Estos son métodos que utilizan poderosas reacciones químicas, a menudo desencadenadas por la luz, para descomponer los contaminantes. El objetivo es transformar el amoníaco nocivo en formas de nitrógeno oxidadas y estables que puedan ser potencialmente capturadas y reutilizadas, convirtiendo un producto de desecho en un recurso.

Un equipo de investigadores de la Universidad Técnica de Ostrava y la empresa Dekonta ha estado probando un sistema específico de dos etapas diseñado para abordar este problema. Su trabajo se centra en una tecnología que primero utiliza luz ultravioleta para tratar el aire cargado de amoníaco, y luego traslada los compuestos capturados a una fase líquida donde son tratados con peróxido de hidrógeno y más luz. Los investigadores querían comprender exactamente cómo los parámetros de operación de este sistema afectan su capacidad para eliminar el amoníaco y qué compuestos de nitrógeno específicos quedan residuales. Estaban particularmente interesados en si podían controlar el proceso para producir especies de nitrógeno útiles y recuperables en lugar de una mezcla de subproductos no deseados.

El experimento comenzó con aire que contenía amoníaco, el cual fue generado burbujeando aire a través de una solución de hidróxido de amonio. Este aire entró primero en la etapa inicial del sistema, un reactor de acero inoxidable equipado con lámparas de mercurio de baja presión que emiten luz ultravioleta en longitudes de onda específicas. Los investigadores descubrieron que la presencia de vapor de agua en esta etapa era crucial. Cuando el aire se humidificaba, la eliminación de amoníaco mejoraba significamente. Esto sugiere que el vapor de agua ayuda a crear las especies reactivas necesarias para descomponer el amoníaco. Incluso sin la luz ultravioleta, parte del amoníaco se eliminaba simplemente al absorberse en el agua, pero la luz hizo que el proceso fuera mucho más efectivo. Esta primera etapa demostró que la humedad controlada es un factor clave para preparar el amoníaco para el siguiente paso.

La segunda etapa de la tecnología es donde ocurre la verdadera transformación. El aire, que ahora transporta los productos de la primera etapa, se mueve hacia un depurador húmedo y luego a través de una serie de reactores tubulares. Aquí, el sistema utiliza una solución de peróxido de hidrógeno, que es un fuerte agente oxidante, combinada con luz ultravioleta. Esta combinación genera radicales hidroxilo, que son moléculas altamente reactivas que atacan los compuestos derivados del amoníaco en el agua. Los investigadores descubrieron que la forma en que se añadía el peróxido de hidrógeno importaba enormemente. Añadirlo con más frecuencia mantenía un suministro constante de oxidante disponible, haciendo que el proceso fuera más eficiente. También observaron que la cantidad de amoníaco que entraba al sistema cambiaba el resultado. Cuando la carga inicial de amoníaco era mayor, el sistema producía más nitrógeno oxidado, pero el equilibrio se desplazaba. En lugar de convertir todo en nitrato, una forma estable de nitrógeno, el proceso dejaba más nitrito. Esto indica que, ante niveles de amoníaco más altos, el sistema tiene dificultades para completar el paso final de convertir el nitrito en nitrato.

El equipo también tuvo que sortear un obstáculo práctico en sus mediciones. Inicialmente intentaron medir el amoníaco restante directamente en el agua utilizando una prueba química estándar, pero descubrieron que el peróxido de hidrógeno en la solución interfería con los resultados, haciendo que los datos fueran poco fiables. Para solucionar esto, midieron la cantidad total de nitrógeno en el agua y rastrearon las cantidades específicas de nitrito y nitrato. Al observar el balance de estos compuestos, pudieron determinar con precisión cuánto amoníaco se había convertido. Descubrieron que el simple hecho de dejar que el agua reposara más tiempo en los reactores no mejoraba automáticamente los resultados. Este hallazgo destaca que el movimiento físico del líquido y la disponibilidad del agente oxidante son tan importantes como el tiempo que la luz brilla sobre la mezcla.

El estudio concluye que, si bien la tecnología de dos etapas es efectiva, requiere un ajuste cuidadoso para funcionar de la mejor manera posible. Los investigadores encontraron que la humidificación del aire en la primera etapa potencia el rendimiento, y que la estrategia para añadir peróxido de hidrógeno en la segunda etapa dicta la eficiencia de la reacción. Sin embargo, el sistema tiene un límite: cuando se introduce demasiado amoníaco, el proceso favorece la formación de nitrito sobre el nitrato. Los autores sugieren que las mejoras futuras deberían centrarse en optimizar el flujo y las condiciones químicas para impulsar la conversión hasta el nitrato, asegurando que la máxima cantidad de nitrógeno se recupere en una forma estable y útil. Este trabajo proporciona una hoja de ruta clara para refinar una tecnología que podría ayudar a limpiar el aire mientras se recuperan recursos valiosos de los desechos.