Autoría de Josué• 3 diciembre, 2023• 2:59 pm• Desde la UNAM

¿Los residuos de hierro pueden ser usados en la producción de biometano? – Karla María Muñoz Páez

La respuesta rápida es que sí, pero vamos por partes. Primero, es importante mencionar que existe un interés creciente por enriquecer el biogás para convertirlo en biometano, ya que este último es considerado como el primer escalón de la industria del gas renovable (Prussi et al., 2019). Tan sólo en la Unión Europea y Reino Unido, se tiene un potencial teórico de biometano a partir de residuos de cerca de 200 teravatios-hora (TWh) para el 2050 [Carmona-Martínez et al., 2023]. En México, se considera ya al acondicionamiento del biogás a biometano dentro de la cadena de valor del biogás y existe una necesidad de desarrollar un catálogo de tecnologías normalizadas para lograrlo, siendo un reto dentro del mapa de ruta tecnológica del biogás el adecuar las tecnologías al contexto mexicano (Cartera de necesidades de innovación y desarrollo tecnológico-Biogás, 2017; SENER-IMP, 2017).

Las diversas tecnologías de enriquecimiento del biogás se pueden clasificar en fisicoquímicas y biológicas. Las primeras tienen un desarrollo tecnológico mayor y varias se encuentran ya de forma comercial, mientras que los métodos biológicos están en desarrollo (Prussi et al., 2019). La idea principal del enriquecimiento es incrementar la concentración de metano en el biogás a valores similares a los del gas natural, lo que le permitiría ser transportado por las redes de gas natural existentes, o ser comprimido y licuado para su uso en vehículos (Deng & Hägg, 2010). El biogás tiene una composición de 45-75 % de metano (CH₄) y de 25-65 % de dióxido de carbono (CO₂), con trazas de otros elementos (Muñoz et al., 2015), por lo que el principal componente a remover es el CO₂.

Este CO₂ puede ser utilizado por microorganismos metanogénicos (arqueas) y junto con hidrógeno (H₂) producir más metano en un enriquecimiento biológico basado en la hidrogenotrofía (Gujer & Zehnder, 1983). Usualmente el H₂ adicionado a este proceso es el hidrógeno verde (Graf et al., 2014). Sin embargo, no en todos los lugares se tiene consolidada la generación de electricidad a partir de fuentes renovables; en el caso de México, ya se están considerando las cadenas de valor del H₂ verde, pero no está establecida aún la industria. Una opción de fuente de H₂ es el bioH₂, el cual puede ser generado también a partir de residuos, como pasa con el biogás. Si bien el H₂ como tal es considerado un excelente acarreador energético, aún no se tiene la infraestructura para su uso; utilizarlo para generar biometano ayudaría a diversificar sus aplicaciones.

Pero… ¿en dónde entran los residuos de hierro? En ayudar a incrementar la concentración de H₂ en el sistema hidrogenotrófico que usa bioH₂ como materia prima. El bioH₂ tiene, intrínsecamente, una concentración baja de H₂ comparado con el H₂ verde, ya que tiene CO₂, por lo que una fuente externa de H₂ ayudaría a lograr las concentraciones deseadas de metano. El hierro en ausencia de oxígeno y presencia de agua tiene un proceso de corrosión en el que se genera H₂, y este es el H₂ que se busca usar en el proceso de enriquecimiento (Hu et al., 2015). El hierro ha sido adicionado en forma de nanopartículas de hierro cerovalente, ya que tienen el beneficio de una mejor superficie de contacto (Dong et al., 2019), sin embargo, su costo puede encarecer el proceso. Una opción de menor costo y que considera el concepto de economía circular es usar residuos de hierro, los cuales ya han demostrado su potencial para ser usados en la digestión anaerobia (Cheng et al., 2020). Este es el enfoque del proyecto de ciencia de frontera apoyado por Conahcyt Aplicación de Fe cerovalente para la producción de biometano acoplada a la utilización del CO₂ generado en la producción de biocombustibles gaseosos, que se desarrolla en el Laboratorio de Investigación en Procesos Avanzados de Tratamiento de Aguas de la Unidad Académica de Juriquilla del Instituto de Ingeniería de la UNAM. Se propone usar residuos de hierro para producir biometano a partir de CO₂, bioH₂ y biogás (Figura 1).

Figura 1. Esquema conceptual de la producción de biometano a partir de bioH₂, biogás y residuos de hierro.

Los residuos de hierro considerados para este proyecto son aquellos provenientes de la Rama 4 Talleres Metal-Mecánicos del Sector Industrial Metal-Mecánico (Canacintra). Se recolectaron residuos de un taller del estado de Querétaro, se seleccionaron las virutas (Figura 2a), se les realizó un tratamiento de limpieza para eliminar grasa y posteriormente se oxidaron (Figura 2b). Una vez oxidados, se están ya utilizando para producir metano en fermentaciones de gas en lote a partir de CO₂, obteniendo resultados prometedores.

Figura 2. Residuos de hierro: a) Diversos tamaños considerados. b) Micrografía del residuo oxidado.

Agradecimientos

Esta es una investigación apoyada por el Conahcyt en el año 2023 a través del Proyecto de Ciencia de Frontera CF-2023-I-537. K.M. Muñoz-Páez agradece al programa Investigadoras e Investigadores por México (Investigador ID 6407, Proyecto 265). Se agradece también el apoyo técnico de Jaime Pérez, Gloria Moreno y Ángel Hernández, y de las estudiantes Nadia Isabela Pérez Martínez, María Fernanda Hernández Guzmán y María Fernanda Botello Cárdenas.

Referencias

Carmona-Martínez, A.A., Bartolomé, C., Jarauta-Córdoba, C.A. (2023). The Role of Biogas and Biomethane as Renewable Gases in the Decarbonization Pathway to Zero Emissions. Energies, 16(17), 6164.
Cartera de necesidades de innovación y desarrollo tecnológico-Biogás, 2017. Obtenido de: https://www.gob.mx/cms/uploads/attachment/file/329909/Cartera_Necesidades_Innovacion_BIOGAS_Final.pdf. Revisado el 23/11/2023.
Cheng, J., Zhu, C., Zhu, J., Jing, X., Kong, F., Zhang, C. (2020). Effects of waste rusted iron shavings on enhancing anaerobic digestion of food wastes and municipal sludge. Journal of Cleaner Production, 242, 118195.
Deng, L., Hägg, M.B. (2010). Techno-economic evaluation of biogas upgrading process using CO₂ facilitated transport membrane. International Journal of Greenhouse Gas Control, 4(4), 638-646.
Dong, D., Aleta, P., Zhao, X., Choi, O.K., Kim, S., Lee, J.W. (2019). Effects of nanoscale zero valent iron (nZVI) concentration on the biochemical conversion of gaseous carbon dioxide (CO₂) into methane (CH₄). Bioresource Technology, 275, 314-320.
Graf, F., Krajete, A., Schmack, U. (2014). Techno-ökonomische Studie zur biologischen Methanisierung bei Power-to-Gas-Konzepten. Bonn.
Gujer, W., Zehnder, A.J.B. (1983). Conversion processes in anaerobic digestion. Water Science and Technology, 15 (8–9), 127–167.
Hu, Y., Hao, X., Zhao, D., Fu, K. (2015). Enhancing the CH₄ yield of anaerobic digestion via endogenous CO₂ fixation by exogenous H₂. Chemosphere, 140, 34-39.
Muñoz, R., Meier, L., Diaz, I., Jeison, D. (2015). A review on the state-of-the-art of physical/chemical and biological technologies for biogas upgrading. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 14(4), 727-759.
Prussi, M., Padella, M., Conton, M., Postma, E.D., Lonza, L. (2019). Review of technologies for biomethane production and assessment of Eu transport share in 2030. Journal of cleaner production, 222, 565-572.
SENER-IMP. (2017). Mapa de Ruta Tecnológica Biogás. Ciudad de México.