2025-01-08Nuevo filtro captura y recicla el aluminio de los residuos de fabricación
MIT |Los ingenieros del MIT diseñaron un proceso de nanofiltración que podría hacer que la producción de aluminio sea más eficiente y al mismo tiempo reducir los residuos peligrosos.El aluminio, que se utiliza en todo tipo de materiales, desde latas de refresco y papel de aluminio hasta placas de circuitos y cohetes propulsores, es el segundo metal más producido en el mundo después del acero. Se prevé que, para finales de esta década, la demanda aumentará la producción de aluminio en un 40 por ciento en todo el mundo. Este pronunciado aumento magnificará los impactos ambientales del aluminio, incluidos los contaminantes que se liberan con los desechos de su fabricación.
Los ingenieros del MIT han desarrollado un nuevo proceso de nanofiltración para reducir los residuos peligrosos generados en la producción de aluminio. La nanofiltración podría utilizarse para procesar los residuos de una planta de aluminio y recuperar los iones de aluminio que, de otro modo, se habrían escapado en el efluente. El aluminio capturado podría reciclarse y añadirse a la mayor parte del aluminio producido, lo que aumentaría el rendimiento y, al mismo tiempo, reduciría los residuos.
Los investigadores demostraron el rendimiento de la membrana en experimentos a escala de laboratorio utilizando una membrana novedosa para filtrar diversas soluciones con un contenido similar al de los flujos de desechos producidos por las plantas de aluminio. Descubrieron que la membrana capturaba selectivamente más del 99 por ciento de los iones de aluminio en estas soluciones.
Si se amplía y se implementa en las instalaciones de producción existentes, la tecnología de membrana podría reducir la cantidad de aluminio desperdiciado y mejorar la calidad ambiental de los desechos que generan las plantas.
“Esta tecnología de membrana no solo reduce los desechos peligrosos, sino que también permite una economía circular para el aluminio al reducir la necesidad de nuevas minas”, afirma John Lienhard, profesor de Agua Abdul Latif Jameel en el Departamento de Ingeniería Mecánica y director del Laboratorio de Sistemas de Agua y Alimentos Abdul Latif Jameel (J-WAFS) en el MIT. “Esto ofrece una solución prometedora para abordar las preocupaciones ambientales y, al mismo tiempo, satisfacer la creciente demanda de aluminio”.
Lienhard y sus colegas informan de sus resultados en un estudio que aparece hoy en la revista ACS Sustainable Chemistry and Engineering. Entre los coautores del estudio se encuentran los estudiantes de ingeniería mecánica del MIT Trent Lee y Vinn Nguyen, y Zi Hao Foo SM ´21, PhD ´24, que es un posdoctorado en la Universidad de California en Berkeley.
Un nicho de reciclaje
El grupo de Lienhard en el MIT desarrolla tecnologías de membranas y filtración para desalinizar agua de mar y remediar diversas fuentes de aguas residuales. En la búsqueda de nuevas áreas en las que aplicar su trabajo, el equipo encontró una oportunidad inexplorada en el aluminio y, en particular, en las aguas residuales generadas por la producción del metal.
Como parte de la producción de aluminio, primero se extrae de minas a cielo abierto un mineral rico en metales, llamado bauxita, que luego se somete a una serie de reacciones químicas para separar el aluminio del resto de la roca extraída. Estas reacciones finalmente producen óxido de aluminio, en forma de polvo llamado alúmina. Gran parte de esta alúmina se envía luego a refinerías, donde el polvo se vierte en cubas de electrólisis que contienen un mineral fundido llamado criolita. Cuando se aplica una corriente eléctrica fuerte, la criolita rompe los enlaces químicos de la alúmina, separando los átomos de aluminio y oxígeno. Luego, el aluminio puro se deposita en forma líquida en el fondo de la cuba, donde se puede recolectar y moldear en diversas 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 un momento determinado, la concentración de estas impurezas alcanza un nivel crítico, en el que el electrolito debe reemplazarse con criolita nueva para mejorar la eficiencia del proceso. La criolita gastada, un lodo viscoso que contiene iones de aluminio residuales e impurezas, se transporta luego para su eliminación.
“Descubrimos que en una planta de aluminio tradicional se desperdician unas 2.800 toneladas de aluminio al año”, afirma el autor principal Trent Lee. “Estábamos buscando formas de que la industria fuera más eficiente y descubrimos que los desechos de criolita no habían sido bien investigados en términos de reciclaje de algunos de sus productos de desecho”.
Una patada cargada
En su nuevo trabajo, los investigadores se propusieron desarrollar un proceso de membrana para filtrar los desechos de criolita y recuperar los iones de aluminio que inevitablemente llegan al flujo de desechos. En concreto, el equipo intentó capturar el aluminio y dejar pasar todos los demás iones, especialmente el sodio, que se acumula significativamente en la criolita con el tiempo.
El equipo razonó que si podían capturar selectivamente el aluminio de los desechos de criolita, el aluminio podría verterse nuevamente en el tanque de electrólisis sin agregar sodio excesivo que ralentizaría aún más el proceso de electrólisis.
El nuevo diseño de los investigadores es una adaptación de las membranas que se utilizan en las plantas de tratamiento de agua convencionales. Estas membranas suelen estar hechas de una fina lámina de material polimérico perforada por diminutos poros de escala nanométrica, cuyo tamaño está ajustado para dejar pasar iones y moléculas específicos.
La superficie de las membranas convencionales tiene una carga negativa natural. Como resultado, las membranas repelen cualquier ion que tenga la misma carga negativa, mientras que atraen a los iones con carga positiva para que fluyan a través de ellas.
En colaboración con la empresa japonesa de membranas Nitto Denko, el equipo del MIT intentó examinar la eficacia de las membranas disponibles comercialmente que pudieran filtrar la mayoría de los iones con carga positiva en las aguas residuales criolitas y, al mismo tiempo, repeler y capturar los iones de aluminio. Sin embargo, los iones de aluminio también tienen una carga positiva de +3, mientras que el sodio y los demás cationes tienen una carga positiva menor de +1.
Motivados por el trabajo reciente del grupo en la investigación de membranas para recuperar litio de lagos salados y baterías usadas, el equipo probó una novedosa membrana Nitto Denko con una fina capa de carga positiva que la recubre. La carga de la capa es lo suficientemente positiva como para repeler y retener fuertemente el aluminio, al tiempo que permite que fluyan a través de ella iones con carga menos positiva.
“El aluminio es el ion con mayor carga positiva, por lo que la mayor parte se expulsa de la membrana”, explica Foo.
El equipo probó el rendimiento de la membrana al pasarla por soluciones con distintos equilibrios de iones, similares a los que se pueden encontrar en los desechos de criolita. Observaron que la membrana capturaba de manera constante el 99,5 por ciento de los iones de aluminio, mientras que dejaba pasar el sodio y los demás cationes. También variaron el pH de las soluciones y descubrieron que la membrana mantenía su rendimiento incluso después de permanecer en una solución altamente ácida durante varias semanas.
“Gran parte de este flujo de desechos de criolita tiene distintos niveles de acidez”, afirma Foo. “Y descubrimos que la membrana funciona muy bien, incluso en las duras condiciones que cabría esperar”.
La nueva membrana experimental tiene el tamaño de una carta de juego. Para tratar los residuos de criolita en una planta de producción de aluminio a escala industrial, los investigadores prevén una versión a mayor escala de la membrana, similar a la que se utiliza en muchas plantas de desalinización, en las que se enrolla una membrana larga en forma de espiral por la que fluye el agua.
“Este artículo demuestra la viabilidad de las membranas para las innovaciones en las economías circulares”, afirma Lee. “Esta membrana ofrece el doble beneficio de reciclar el aluminio y, al mismo tiempo, reducir los residuos peligrosos”.
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