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 proyecta que la demanda impulsará la producción de aluminio en un 40 por ciento en todo el mundo. Este fuerte aumento aumentará el impacto ambiental del aluminio, con cualquier contaminante emitido junto con sus residuos de producción.
Los ingenieros del MIT han desarrollado un nuevo proceso de nanofiltración para controlar los residuos peligrosos generados 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 podrían escapar al flujo de desechos. Luego, el aluminio capturado se puede reciclar y agregar a la mayor parte del aluminio producido, lo que aumenta el rendimiento y al mismo tiempo reduce el desperdicio.
Los investigadores demostraron el rendimiento de la membrana en experimentos a escala de laboratorio utilizando una membrana novedosa para filtrar diferentes soluciones similares en contenido a 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 aplica a las instalaciones de producción existentes, la tecnología de membranas puede reducir la cantidad de aluminio desperdiciado y mejorar la calidad ambiental de los desechos que producen 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 nuevas minas”, afirmó John Linhardt, profesor de agua de Abdul Latif Jameel y director del 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 que aparece en la revista ACS Química e Ingeniería Sostenible. Los coautores del estudio incluyen a los graduados en ingeniería mecánica del MIT Trent Lee y Ving Nguyen, y Ji Hao Fu SM ’21, PhD ’24, un postdoctorado en la Universidad de California, Berkeley.
Un nicho de reciclaje
El grupo de Leinhardt en el MIT desarrolla tecnologías de filtración y membranas para la desalinización de agua de mar y la remediación de diversas fuentes de aguas residuales. Buscando nuevas áreas donde aplicar su trabajo, el equipo encontró una oportunidad inexplorada en las aguas residuales generadas por la producción de aluminio y, en particular, del metal.
Como parte de la producción de aluminio, el mineral rico en metales llamado bauxita se extrae primero a cielo abierto y luego se somete a una serie de reacciones químicas para separar el aluminio de la roca extraída. Estas reacciones finalmente producen óxido de aluminio, en forma de polvo llamado alúmina. Gran parte de esta alúmina se envía a refinerías, donde el polvo se vierte en cubas de electrólisis que contienen un mineral fundido llamado criolita. Cuando se aplica una fuerte corriente eléctrica, la criolita separa los átomos de aluminio y oxígeno, rompiendo los enlaces químicos de la alúmina. Luego, el aluminio puro se deposita en el fondo de la tina en forma líquida, donde se puede recolectar y moldear en diversas formas.
La criolita actúa como disolvente electrolítico, 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, donde el electrolito debe reemplazarse con criolita nueva para que el proceso principal sea eficiente. La criolita gastada, un lodo viscoso que contiene iones de aluminio residuales e impurezas, se transporta para su eliminación.
“Aprendimos que en una planta de aluminio tradicional, se desperdician unas 2.800 toneladas de aluminio cada año”, dijo el autor principal, Trent Lee. “Estábamos buscando formas en que la industria podría ser más eficiente y descubrimos que los desechos de criolita no estaban bien investigados en términos de reciclaje de algunos de sus productos de desecho”.
patada cargada
En su nuevo trabajo, los investigadores pretendían 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 buscó capturar el aluminio a medida que pasaba a través de 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 aluminio de los desechos de criolita, el aluminio podría volver a verterse 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 por 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 a través de ellas.
En colaboración con la empresa japonesa de membranas Nitto Denko, el equipo del MIT intentó probar el rendimiento de una membrana disponible comercialmente que podía filtrar los iones con carga más positiva en aguas residuales de criolita mientras repelía y capturaba iones de aluminio. 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.
Inspirado por 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 Nito Denko con un recubrimiento delgado y cargado positivamente. 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 desprende de la membrana”, explica Fu.
El equipo probó el rendimiento de la membrana ejecutando soluciones con diferentes equilibrios de iones similares a los residuos de criolita. Observaron que la membrana captura consistentemente el 99,5 por ciento de los iones de aluminio al tiempo que permite el paso del sodio y otros cationes. También variaron el pH de la solución y la membrana mantuvo su rendimiento incluso después de permanecer en una solución altamente ácida durante varias semanas.
“Muchas de estas corrientes de desechos de criolita tienen distintos niveles de acidez”, dice Fu. “Y descubrimos que la membrana funciona realmente bien, incluso en las condiciones más duras que podríamos esperar”.
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 imaginaron una versión ampliada de la membrana, que se utiliza en muchas plantas desalinizadoras, en la que se enrolla una membrana larga en forma de espiral, a través de la cual fluye el agua.
“Este artículo muestra la eficacia de las membranas para la innovación en la economía circular”, afirmó Lee. “Esta membrana ofrece el doble beneficio de reciclar el aluminio y al mismo tiempo reducir los residuos peligrosos”.