Esquema de las posibles configuraciones. Las líneas negras y rojas representan un flujo eléctrico positivo y negativo, respectivamente; Las líneas azules representan el flujo de fluido; Las líneas discontinuas representan conexiones opcionales, es decir, la opción de conexiones eléctricas directas o controladores de carga, así como la opción de transferencia de calor o sin transferencia de calor. Crédito: Nature Water (2025). Doi: 10.1038/s44221-025-00477-W
Un sistema recientemente desarrollado transforma los desechos humanos en una herramienta poderosa para energía y agricultura rentables y sostenibles en regiones limitadas por recursos.
El prototipo, descrito en un estudiar Publicado en Nature Water, recupera un valioso fertilizante de la orina, utilizando energía solar que también puede proporcionar energía para otros usos. En el proceso, el sistema proporciona saneamiento esencial, lo que hace que las aguas residuales sean más seguras para descargar o reutilizar para el riego.
“Este proyecto se trata de convertir un problema de desechos en una oportunidad de recursos”, dijo el autor senior del estudio William Tarpeh, profesor asistente de ingeniería química en la Escuela de Ingeniería de Stanford.
“Con este sistema, estamos capturando nutrientes que de otro modo serían eliminados o causarían daños ambientales y convertirlos en algo valioso, fertilizante para los cultivos, y hacerlo sin necesidad de acceso a una red eléctrica”.
El nitrógeno es un componente clave de los fertilizantes comerciales. Tradicionalmente, se produce utilizando un proceso intensivo en carbono y se distribuye a nivel mundial desde grandes instalaciones industriales, muchas de las cuales se encuentran en naciones más ricas, lo que resulta en precios más altos en países de ingresos bajos y medianos. A nivel mundial, el nitrógeno en la orina humana es equivalente a aproximadamente el 14% de la demanda anual de fertilizantes.
El prototipo separa el amoníaco, un compuesto químico compuesto por nitrógeno e hidrógeno, desde la orina a través de una serie de cámaras separadas por membranas, utilizando electricidad generada por energía solar para impulsar los iones y eventualmente atrapar el amoníaco como sulfato de amonio, un fertilizador común.
Calentar el sistema, que usa el calor de los residuos recolectados de la parte posterior de los paneles solares fotovoltaicos a través de una placa fría de tubo de cobre unida, las helados aceleran el proceso al alentar la producción de gas amoníaco, el paso final en el proceso de separación. Los paneles solares también producen más electricidad a temperaturas más bajas, por lo que recolectar calor de desecho ayuda a mantenerlos frescos y eficientes.
“Cada persona produce suficiente nitrógeno en su orina para fertilizar un jardín, pero gran parte del mundo depende de los costosos fertilizantes importados”, dijo Orisa Coombs, autora principal del estudio y Ph.D. Estudiante en Ingeniería Mecánica.
“No necesita una planta química gigante o incluso una toma de pared. Con suficiente sol, puede producir fertilizantes justo donde se necesita, y potencialmente incluso almacenar o vender exceso de electricidad”.
El estudio muestra que la integración del calor generado por el panel solar para calentar el líquido utilizado en el proceso electroquímico y administrar la corriente suministrada al sistema electroquímico aumentó la generación de energía en casi un 60% y mejoró la eficiencia de recuperación de amoníaco en más del 20%, en comparación con los prototipos anteriores, lo que no integró estas funciones.
El uso de este calor residual es especialmente prometedor porque hay muchas cosas: se pierde alrededor del 80% de la energía solar que alcanza los paneles solares, lo que de otro modo podría causar el sobrecalentamiento del sistema y las ralentizaciones de eficiencia.
Los investigadores también desarrollaron un modelo detallado para predecir cómo los cambios en la luz solar, la temperatura y la configuración eléctrica afectan el rendimiento del sistema y la economía. El modelo mostró que en regiones como Uganda, donde el fertilizante es costoso y la infraestructura energética es limitada, el sistema podría generar hasta $ 4.13 por kilogramo de nitrógeno recuperado, más del doble de las ganancias potenciales en los Estados Unidos.
Los investigadores creen que el enfoque podría escalar para ayudar a los agricultores y comunidades de todo el mundo. Las lecciones aprendidas sobre la integración del calor de los residuos del panel solar también podrían aplicarse a las instalaciones industriales, como las plantas de tratamiento de aguas residuales, capaces de capturar el calor producido durante la generación de electricidad para alimentar una variedad de aplicaciones.
Coombs está trabajando en un prototipo que tendrá triple la capacidad del reactor, será capaz de procesar significativamente más orina y se procesará más rápido cuando hay más luz solar disponible.
Más allá del potencial para cosechar un producto valioso y generar energía, el enfoque tiene la promesa de un saneamiento efectivo. Según la ONU, más del 80% de las aguas residuales no se tratan, en los países de bajos y medianos ingresos, según la ONU. El nitrógeno en las aguas residuales puede contaminar el agua subterránea y las fuentes de agua potable, y causar flores de algas que agotan el oxígeno que matan plantas y animales acuáticos.
Al eliminar el nitrógeno de la orina, el sistema prototipo hace que el líquido restante sea más seguro para descargar o reutilizar el riego. La capacidad de hacer esto con un sistema autopotero podría ser un cambio de juego en muchos países, donde solo un pequeño porcentaje de la población está conectado a los sistemas de alcantarillado centralizados.
“A menudo pensamos en el agua, la comida y la energía como sistemas completamente separados, pero este es uno de esos casos raros en los que la innovación de ingeniería puede ayudar a resolver múltiples problemas a la vez”, dijo Coombs. “Está limpio, es escalable y literalmente está alimentado por el sol”.
Los coautores del estudio también incluyen a Taigyu Joo, un erudito postdoctoral en ingeniería química en Stanford; Amilton Barbosa Botelho Junior, miembro de la investigación postdoctoral en Ingeniería Química en Stanford y la Universidad de Sao Paulo, Brasil, en el momento de la investigación; y Divya Chalise, un erudito postdoctoral en ingeniería mecánica en Stanford.
Tarpeh también es profesor asistente, por cortesía, de ingeniería civil y ambiental en la Escuela de Ingeniería de Stanford y la Escuela de Sostenibilidad Stanford Doerr; un compañero central en el Instituto de Energía Precourt; y un miembro del centro, por cortesía, en el Instituto de Medio Ambiente de Stanford Woods.
Los investigadores construyeron un reactor impulsado por electricidad a escala de laboratorio que se extendía a 40 días de operación, lo que inspiró y permitió el trabajo en el tratamiento de agua electroquímica con paneles solares. Las primeras iteraciones de este proyecto se centraron en la recuperación de nitrógeno y azufre de las aguas residuales para permitir la reutilización del agua y la producción de fertilizantes.
Más información: Orisa Z. Coombs et al, creación de prototipos y modelos de un sistema de eliminación electroquímica fotovoltaica -térmica para la recuperación de nitrógeno de orina distribuida, agua natural (2025). Doi: 10.1038/s44221-025-00477-W
Proporcionado por la Universidad de Stanford
Cita: Oro líquido: Prototipo cosecha recursos valiosos de la orina (2025, 19 de agosto) Recuperado el 19 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-liquid-gold-prototype-harvests-valiable.html
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