O esgoto de uma pessoa é o tesouro de outra. Um novo estudo da Universidade de Stanford abre caminho para a mineração de esgoto para materiais valiosos usados ​​em fertilizantes e baterias que um dia poderiam alimentar smartphones e aviões. A análise, publicada recentemente na ACS ES&T Engineering , revela como otimizar os processos elétricos para transformar a poluição por enxofre e pode ajudar a levar a um tratamento de águas residuais acessível e movido a energia renovável que cria água potável.
“Estamos sempre procurando maneiras de fechar o ciclo dos processos de fabricação química”, disse o autor sênior do estudo Will Tarpeh, professor assistente de engenharia química em Stanford. "O enxofre é um ciclo elementar chave com espaço para melhorias na conversão eficiente de poluentes de enxofre em produtos como fertilizantes e componentes de baterias".

Uma solução melhor

À medida que os suprimentos de água doce diminuem, principalmente em regiões áridas, o foco se intensificou no desenvolvimento de tecnologias que convertem águas residuais em água potável. Processos de membrana que usam ambientes anaeróbicos ou livres de oxigênio para filtrar águas residuais são particularmente promissores porque requerem relativamente pouca energia. No entanto, esses processos produzem sulfeto, um composto que pode ser tóxico, corrosivo e malcheiroso. Estratégias para lidar com esse problema, como a oxidação química ou o uso de determinados produtos químicos para converter o enxofre em sólidos separáveis, podem gerar subprodutos e gerar reações químicas que corroem as tubulações e dificultam a desinfecção da água.

Uma solução tentadora para lidar com a produção de sulfeto da filtragem anaeróbica está na conversão do sulfeto em produtos químicos usados ​​em fertilizantes e materiais catódicos para baterias de lítio-enxofre, mas os mecanismos para isso ainda não são bem compreendidos. Assim, Tarpeh e seus colegas decidiram elucidar uma abordagem econômica que não criaria subprodutos químicos.

Os pesquisadores se concentraram na oxidação eletroquímica do enxofre, que requer baixo consumo de energia e permite o controle preciso dos produtos finais de enxofre. Enquanto alguns produtos, como o enxofre elementar, podem se depositar nos eletrodos e retardar as reações químicas, outros como o sulfato podem ser facilmente capturados e reutilizados. Se funcionasse de forma eficaz, o processo poderia ser alimentado por energia renovável e adaptado para tratar águas residuais coletadas de prédios individuais ou cidades inteiras.

Fazendo uso inovador da microscopia eletroquímica de varredura – uma técnica que facilita instantâneos microscópicos das superfícies dos eletrodos enquanto os reatores estão operando – os pesquisadores quantificaram as taxas de cada etapa da oxidação eletroquímica do enxofre, juntamente com os tipos e quantidades de produtos formados. Eles identificaram as principais barreiras químicas para a recuperação de enxofre, incluindo incrustação de eletrodos e quais intermediários são mais difíceis de converter. Eles descobriram, entre outras coisas, que parâmetros operacionais variados, como a tensão do reator, podem facilitar a recuperação de enxofre de baixa energia das águas residuais.

Esses e outros insights esclareceram as compensações entre eficiência energética, remoção de sulfeto, produção de sulfato e tempo. Com eles, os pesquisadores delinearam uma estrutura para informar o projeto de futuros processos eletroquímicos de oxidação de sulfetos que equilibram a entrada de energia, a remoção de poluentes e a recuperação de recursos. Olhando para o futuro, a tecnologia de recuperação de enxofre também pode ser combinada com outras técnicas, como a recuperação de nitrogênio de águas residuais para produzir fertilizante de sulfato de amônio. O Codiga Resource Recovery Center, uma estação de tratamento em escala piloto no campus de Stanford, provavelmente desempenhará um grande papel na aceleração do projeto e implementação futuros dessas abordagens.

"Esperamos que este estudo ajude a acelerar a adoção de tecnologia que mitiga a poluição, recupere recursos valiosos e crie água potável ao mesmo tempo", disse o principal autor do estudo, Xiaohan Shao, Ph.D. estudante de engenharia civil e ambiental em Stanford.

Tarpeh também é professor assistente (por cortesia) de engenharia civil e ambiental, bolsista do centro (por cortesia) do Stanford Woods Institute for the Environment, acadêmico afiliado ao Programa de Stanford para Água, Saúde e Desenvolvimento e membro do Stanford Bio-X. Autor adicional Sydney Johnson era um estudante de graduação em engenharia química em Stanford no momento da pesquisa.