Utilizado en todo, desde latas de refresco y envoltorios de aluminio hasta placas de circuitos y propulsores de cohetes, el aluminio es el segundo metal más producido en el mundo después del acero. Para finales de esta década, se espera que la demanda de producción de aluminio en todo el mundo aumente en un 40 por ciento. Este rápido crecimiento aumentará el impacto ambiental del aluminio, incluidos los contaminantes que se liberan con los desechos de fabricación.
Los ingenieros del MIT han desarrollado un nuevo proceso de nanofiltración para evitar residuos peligrosos en la producción de aluminio. La nanofiltración podría usarse potencialmente para procesar desechos de una planta de aluminio y recuperar los iones de aluminio que de otro modo escaparían a la corriente de efluentes. Luego, el aluminio capturado se puede reciclar y agregar a la mayor parte del aluminio producido, lo que aumenta la producción y al mismo tiempo reduce el desperdicio.
Los investigadores demostraron el rendimiento de la membrana en experimentos a escala de laboratorio utilizando una nueva membrana para filtrar diferentes soluciones similares a los flujos de desechos producidos por las plantas de aluminio. Descubrieron que la membrana capturaba selectivamente más del 99% de los iones de aluminio en estas soluciones.
Si se amplía e implementa en las instalaciones de producción existentes, la tecnología de membranas puede reducir la cantidad de aluminio desperdiciado y mejorar la calidad ambiental de los efluentes generados por las plantas.
“Esta tecnología de membrana no solo reduce los residuos peligrosos, sino que también permite una economía circular para el aluminio al reducir la necesidad de nueva minería”, dice John Leinhardt, profesor y director de Abdul Latif Jameel de Agua en el Departamento de Ingeniería Mecánica. Laboratorio de Sistemas de Agua y Alimentos Abdul Latif Jameel (J-WAFS) en el MIT. “Ofrece una solución prometedora para abordar las preocupaciones medioambientales y al mismo tiempo satisfacer la creciente demanda de aluminio”.
Leinhardt y sus colegas informan sus hallazgos en un estudio publicado en la revista ACS Química e Ingeniería Sostenible. Los coautores del estudio incluyen a los estudiantes de ingeniería mecánica del MIT Trent Li y Win Guen, y Zi Hao Foo SM ’21, PhD ’24, un postdoctorado en la Universidad de California, Berkeley.
Sitio de reciclaje
El grupo de Lienhard en el MIT desarrolla tecnologías de filtración y membranas para limpiar el agua de mar y remediar diversas fuentes de aguas residuales. Buscando nuevas áreas donde aplicar su trabajo, el equipo encontró una oportunidad inexplorada en el aluminio y específicamente en las aguas residuales generadas durante la producción del metal.
Como parte de la producción de aluminio, el mineral rico en metal, llamado bauxita, primero se extrae a cielo abierto y luego se somete a una serie de reacciones químicas para separar el aluminio del resto de la roca. Estas reacciones finalmente producen óxido de aluminio, en forma de polvo llamado alúmina. La mayor parte de esta alúmina se envía luego a refinerías, donde el polvo se coloca en cubas de electrólisis que contienen un mineral fundido llamado criolita. Cuando se aplica una fuerte corriente eléctrica, la criolita rompe los enlaces químicos de la alúmina, separando los átomos de aluminio y oxígeno. Luego, el aluminio puro fluye en forma líquida al fondo de la tina, donde se puede recolectar y moldear en varias formas.
El electrolito de criolita actúa como disolvente, facilitando la separación de la alúmina durante el proceso de electrólisis de sales fundidas. Con el tiempo, la criolita acumula impurezas como iones de sodio, litio y potasio, lo que reduce gradualmente su eficacia para disolver la alúmina. En cierto punto, la concentración de estas impurezas alcanza un nivel crítico, en el cual el electrolito debe reemplazarse con criolita nueva para el desempeño crítico del proceso. Luego se elimina la criolita gastada, un lodo viscoso que contiene iones de aluminio residuales e impurezas.
“Aprendimos que en una planta de aluminio convencional se desperdician 2.800 toneladas de aluminio cada año”, dice el autor principal, Trent Lee. “Estábamos buscando formas en que la industria podría ser más eficiente y descubrimos que algunos de los productos de desecho de criolita no estaban bien investigados en términos de reciclaje”.
patada cargada
En su nuevo trabajo, los investigadores pretenden desarrollar un proceso de membrana para filtrar los residuos de criolita y recuperar los iones de aluminio que inevitablemente llegan al flujo de residuos. Específicamente, el equipo intentó capturar el aluminio por todos los demás iones, especialmente el sodio, que se acumula significativamente en la criolita con el tiempo.
El equipo razonó que si podían extraer aluminio de los desechos de criolita, el aluminio podría volver a colocarse en la tina de electrólisis sin agregar exceso de sodio que ralentizaría aún más el proceso de electrólisis.
El nuevo diseño de los investigadores es una adaptación de las membranas utilizadas en las plantas de tratamiento de agua convencionales. Estas membranas suelen estar hechas de una fina lámina de material polimérico perforada con pequeños poros de escala nanométrica, cuyo tamaño permite el paso de iones y moléculas específicas.
La superficie de las membranas convencionales lleva una carga negativa natural. Como resultado, las membranas repelen cualquier ion que lleve la misma carga negativa, mientras que atraen iones con carga positiva para que fluyan.
En colaboración con la empresa japonesa de membranas Nitto Denko, el equipo del MIT intentó probar la eficacia de membranas disponibles comercialmente que repelen y capturan iones de aluminio, los iones con carga más positiva que pueden filtrar las aguas residuales de criolita. Sin embargo, los iones de aluminio también tienen una carga positiva de +3, mientras que el sodio y otros cationes tienen una carga menos positiva de +1.
Inspirándose en el trabajo reciente del grupo que investiga membranas para la recuperación de litio de lagos salados y baterías gastadas, el equipo probó una novedosa membrana Nitto Denko con un revestimiento delgado y cargado positivamente que cubría la membrana. La carga del recubrimiento es lo suficientemente positiva como para repeler y retener fuertemente el aluminio y al mismo tiempo permitir que fluyan iones menos cargados positivamente.
“El aluminio es el ion con carga más positiva, por lo que la mayor parte se elimina de la membrana”, explica Fu.
El equipo probó el rendimiento de la membrana pasándola a través de soluciones con diferentes equilibrios de iones, como las que se pueden encontrar en los desechos de criolita. Observaron que la membrana capturaba constantemente el 99,5% de los iones de aluminio y permitía el paso del sodio y otros cationes. También variaron el pH de la solución y descubrieron que la membrana conservaba su rendimiento incluso después de permanecer en una solución altamente ácida durante varias semanas.
“Muchos de estos desechos de criolita tienen diferentes niveles de acidez”, dice Fu. “Y descubrimos que la membrana funcionaba muy bien, incluso en las condiciones más duras que esperábamos”.
La nueva membrana experimental tiene aproximadamente el tamaño de un naipe. Para tratar los residuos de criolita en una planta de producción de aluminio a escala industrial, los investigadores imaginan una versión más pequeña de la membrana, como la que se utiliza en muchas plantas de desalinización, donde pasa una membrana larga envuelta en forma de espiral, a través de la cual fluye el agua.
“Este artículo demuestra la viabilidad de las membranas para la innovación en las economías circulares”, dice Lee. “La membrana ofrece el doble beneficio de reciclar el aluminio y al mismo tiempo reducir los desechos peligrosos”.
