Nuevo filtro captura y recicla el aluminio de los residuos de fabricación

Utilizado en prácticamente 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 prevé que la demanda aumentará la producción de aluminio en un 40 por ciento en todo el mundo. Este fuerte aumento magnificará los impactos ambientales del aluminio, incluidos los contaminantes que se liberan con sus desechos de fabricación.

Ingenieros del MIT desarrollaron un nuevo proceso de nanofiltración para frenar los residuos peligrosos generados por la producción de aluminio. La nanofiltración podría usarse potencialmente para procesar los desechos de una planta de aluminio y recuperar los iones de aluminio que de otro modo se habrían escapado en la corriente efluente. El aluminio capturado podría luego reciclarse y agregarse a la mayor parte del aluminio producido, aumentando el rendimiento y al mismo tiempo reduciendo el desperdicio.

Los investigadores demostraron el rendimiento de la membrana en experimentos a escala de laboratorio utilizando una membrana novedosa para filtrar varias soluciones que eran 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.

“Esta tecnología de membranas no sólo reduce los residuos peligrosos sino que también permite una economía circular para el aluminio al reducir la necesidad de nuevas extracciones”, afirmó John Lienhard, Abdul Latif Jameel Professor of Water in the Department of Mechanical Engineering y director del Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (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 difundieron sus resultados en un estudio en la revista ACS Sustainable Chemistry and Engineering. Los coautores del estudio incluyen a los estudiantes de ingeniería mecánica del MIT Trent Lee y Vinn Nguyen, y Zi Hao Foo SM ‘21, PhD ‘24, postdoctorado en la Universidad de California en Berkeley.

Un nicho de reciclaje

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El grupo de Lienhard en el MIT desarrolla tecnologías de filtración y membranas para desalinizar agua de mar y remediar diversas fuentes de aguas residuales. Al buscar 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 durante la producción de ese metal.

Como parte de la producción de aluminio, un mineral rico en metales, 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 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 fuerte corriente eléctrica, 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 tina, donde se puede recoger y moldear en diversas formas.

Los electrolitos de la criolita actúan 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 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 para su eliminación.

“Aprendimos que en una planta de aluminio tradicional se desperdician unas 2.800 toneladas de aluminio al año”, dijo el autor principal, Trent Lee. “Estábamos buscando formas en que la industria pueda ser 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

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En su nuevo trabajo, los investigadores pretendían desarrollar un proceso de membrana para filtrar los desechos de criolita y recuperar los iones de aluminio que inevitablemente llegan al flujo de desechos. Específicamente, el equipo buscó 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 pensó que si podían capturar selectivamente aluminio de los desechos de criolita, el aluminio podría volverse a verter 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 está ajustado para dejar pasar 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 examinar la eficacia de membranas disponibles comercialmente que podían filtrar la mayoría de los iones cargados positivamente en aguas residuales de criolita y al mismo tiempo repeler y capturar iones de aluminio. Sin embargo, los iones de aluminio también llevan una carga positiva, de +3, mientras que el sodio y los otros cationes llevan una carga positiva menor de +1.

Motivado por el reciente trabajo del grupo en la investigación de membranas para recuperar litio de lagos salados y baterías gastadas, el equipo probó una novedosa membrana Nitto Denko con una fina capa cargada positivamente que cubre 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 sale de la membrana”, explicó Foo.

El equipo probó el rendimiento de la membrana pasando por soluciones con diversos equilibrios de iones, similar a lo que se puede encontrar en los desechos de criolita. Observaron que la membrana capturaba constantemente el 99,5 por ciento de los iones de aluminio y permitía el paso del sodio y otros 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 diferentes niveles de acidez”, dice Foo. “Y descubrimos que la membrana funciona muy bien, incluso en las duras condiciones que esperaríamos”.

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 ampliada de la membrana, similar a la que se utiliza en muchas plantas desalinizadoras, donde se enrolla una membrana larga en forma de espiral, a través de la cual fluye el agua.

“Este artículo muestra la viabilidad de las membranas para las innovaciones en las economías circulares”, afirmó Lee. “Esta membrana ofrece el doble beneficio de reciclar el aluminio y al mismo tiempo reducir los residuos peligrosos”.

• El artículo New filter captures and recycles aluminum from manufacturing waste, con la firma de Jennifer Chu, fue publicado en la sección de noticias del MIT.

• El paper “Enhancing Resource Circularity in Aluminum Production through Nanofiltration of Waste Cryolite” fue publicado en ACS Sustainable Chemistry and Engineering. Autores: Trent R. Lee, Zi Hao Foo, Vinn Nguyen & John H. Lienhard.

English version

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New filter captures and recycles aluminum from manufacturing waste

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Used in everything from soda cans and foil wrap to circuit boards and rocket boosters, aluminum is the second-most-produced metal in the world after steel. By the end of this decade, demand is projected to drive up aluminum production by 40 percent worldwide. This steep rise will magnify aluminum’s environmental impacts, including any pollutants that are released with its manufacturing waste.

MIT engineers have developed a new nanofiltration process to curb the hazardous waste generated from aluminum production. Nanofiltration could potentially be used to process the waste from an aluminum plant and retrieve any aluminum ions that would otherwise have escaped in the effluent stream. The captured aluminum could then be upcycled and added to the bulk of the produced aluminum, increasing yield while simultaneously reducing waste.

In an article signed by Jennifer Chu says that the researchers demonstrated the membrane’s performance in lab-scale experiments using a novel membrane to filter various solutions that were similar in content to the waste streams produced by aluminum plants. They found that the membrane selectively captured more than 99 percent of aluminum ions in these solutions.

If scaled up and implemented in existing production facilities, the membrane technology could reduce the amount of wasted aluminum and improve the environmental quality of the waste that plants generate.

“This membrane technology not only cuts down on hazardous waste but also enables a circular economy for aluminum by reducing the need for new mining,” says John Lienhard, the Abdul Latif Jameel Professor of Water in the Department of Mechanical Engineering, and director of the Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) at MIT. “This offers a promising solution to address environmental concerns while meeting the growing demand for aluminum.”

Lienhard and his colleagues report their results in a study published in the journal ACS Sustainable Chemistry and Engineering. The study’s co-authors include MIT mechanical engineering undergraduates Trent Lee and Vinn Nguyen, and Zi Hao Foo SM ’21, PhD ’24, who is a postdoc at the University of California at Berkeley.

Recycling niche

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Lienhard’s group at MIT develops membrane and filtration technologies for desalinating seawater and remediating various sources of wastewater. In looking for new areas to apply their work, the team found an unexplored opportunity in aluminum and, in particular, the wastewater generated from the metal’s production.

As part of aluminum’s production, metal-rich ore, called bauxite, is first mined from open pits, then put through a series of chemical reactions to separate the aluminum from the rest of the mined rock. These reactions ultimately produce aluminum oxide, in a powdery form called alumina. Much of this alumina is then shipped to refineries, where the powder is poured into electrolysis vats containing a molten mineral called cryolite. When a strong electric current is applied, cryolite breaks alumina’s chemical bonds, separating aluminum and oxygen atoms. The pure aluminum then settles in liquid form to the bottom of the vat, where it can be collected and cast into various forms.

Cryolite electrolyte acts as a solvent, facilitating the separation of alumina during the molten salt electrolysis process. Over time, the cryolite accumulates impurities such as sodium, lithium, and potassium ions — gradually reducing its effectiveness in dissolving alumina. At a certain point, the concentration of these impurities reaches a critical level, at which the electrolyte must be replaced with fresh cryolite to main process efficiency. The spent cryolite, a viscous sludge containing residual aluminum ions and impurities, is then transported away for disposal.

“We learned that for a traditional aluminum plant, something like 2,800 tons of aluminum are wasted per year,” says lead author Trent Lee. “We were looking at ways that the industry can be more efficient, and we found cryolite waste hadn’t been well-researched in terms of recycling some of its waste products.”

A charged kick

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In their new work, the researchers aimed to develop a membrane process to filter cryolite waste and recover aluminum ions that inevitably make it into the waste stream. Specifically, the team looked to capture aluminum while letting through all other ions, especially sodium, which builds up significantly in the cryolite over time.

The team reasoned that if they could selectively capture aluminum from cryolite waste, the aluminum could be poured back into the electrolysis vat without adding excessive sodium that would further slow the electrolysis process.

The researchers’ new design is an adaptation of membranes used in conventional water treatment plants. These membranes are typically made from a thin sheet of polymer material that is perforated by tiny, nanometer-scale pores, the size of which is tuned to let through specific ions and molecules.

The surface of conventional membranes carries a natural, negative charge. As a result, the membranes repel any ions that carry the same negative charge, while they attract positively charged ions to flow through.

In collaboration with the Japanese membrane company Nitto Denko, the MIT team sought to examine the efficacy of commercially available membranes that could filter through most positively charged ions in cryolite wastewater while repelling and capturing aluminum ions. However, aluminum ions also carry a positive charge, of +3, where sodium and the other cations carry a lesser positive charge of +1.

Motivated by the group’s recent work investigating membranes for recovering lithium from salt lakes and spent batteries, the team tested a novel Nitto Denko membrane with a thin, positively charged coating covering the membrane. The coating’s charge is just positive enough to strongly repel and retain aluminum while allowing less positively charged ions to flow through.

“The aluminum is the most positively charged of the ions, so most of it is kicked away from the membrane,” explained Foo.

The team tested the membrane’s performance by passing through solutions with various balances of ions, similar to what can be found in cryolite waste. They observed that the membrane consistently captured 99.5 percent of aluminum ions while allowing through sodium and the other cations. They also varied the pH of the solutions, and found the membrane maintained its performance even after sitting in highly acidic solution for several weeks.

“A lot of this cryolite waste stream comes at different levels of acidity,” Foo said. “And we found the membrane works really well, even within the harsh conditions that we would expect.”

The new experimental membrane is about the size of a playing card. To treat cryolite waste in an industrial-scale aluminum production plant, the researchers envision a scaled-up version of the membrane, similar to what is used in many desalination plants, where a long membrane is rolled up in a spiral configuration, through which water flows.

“This paper shows the viability of membranes for innovations in circular economies,” said Lee. “This membrane provides the dual benefit of upcycling aluminum while reducing hazardous waste.”

• The paper: “Enhancing Resource Circularity in Aluminum Production through Nanofiltration of Waste Cryolite” was published in ACS Sustainable Chemistry and Engineering. Authors: Trent R. Lee, Zi Hao Foo, Vinn Nguyen & John H. Lienhard.