Os engenheiros do MIT projetaram um processo de nanofiltração que poderia tornar a produção de alumínio mais eficiente e, ao mesmo tempo, reduzir resíduos perigosos.
Usado em tudo, desde latas de refrigerante e embalagens metálicas até placas de circuito e propulsores de foguetes, o alumínio é o segundo metal mais produzido no mundo, depois do aço. Até ao final desta década, prevê-se que a procura aumente a produção de alumínio em 40% em todo o mundo. Este aumento acentuado ampliará os impactos ambientais do alumínio, incluindo quaisquer poluentes que sejam libertados com os seus resíduos de produção.
Os engenheiros do MIT desenvolveram um novo processo de nanofiltração para reduzir os resíduos perigosos gerados na produção de alumínio. A nanofiltração poderia ser potencialmente usada para processar os resíduos de uma fábrica de alumínio e recuperar quaisquer íons de alumínio que de outra forma teriam escapado no fluxo de efluentes. O alumínio capturado poderia então ser reciclado e adicionado à maior parte do alumínio produzido, aumentando o rendimento e, ao mesmo tempo, reduzindo o desperdício.
Os pesquisadores demonstraram o desempenho da membrana em experimentos em escala de laboratório usando uma nova membrana para filtrar várias soluções com conteúdo semelhante aos fluxos de resíduos produzidos pelas fábricas de alumínio. Eles descobriram que a membrana capturou seletivamente mais de 99% dos íons de alumínio nessas soluções.
Se ampliada e implementada nas instalações de produção existentes, a tecnologia de membrana poderá reduzir a quantidade de alumínio desperdiçado e melhorar a qualidade ambiental dos resíduos gerados pelas fábricas.
“Esta tecnologia de membrana não só reduz os resíduos perigosos, mas também permite uma economia circular para o alumínio, reduzindo a necessidade de novas minas”, diz John Lienhard, Professor Abdul Latif Jameel de Água no Departamento de Engenharia Mecânica e diretor do Laboratório de Sistemas de Água e Alimentos Abdul Latif Jameel (J-WAFS) no MIT. “Isso oferece uma solução promissora para abordar as preocupações ambientais e, ao mesmo tempo, atender à crescente demanda por alumínio.”
Lienhard e seus colegas relatam seus resultados em um estudo publicado hoje na revista ACS Química e Engenharia Sustentável . Os coautores do estudo incluem Trent Lee e Vinn Nguyen, estudantes de engenharia mecânica do MIT, e Zi Hao Foo SM '21, PhD '24, que é pós-doutorado na Universidade da Califórnia em Berkeley.
Um nicho de reciclagem
O grupo de Lienhard no MIT desenvolve tecnologias de membrana e filtração para dessalinizar água do mar e remediar diversas fontes de águas residuais. Ao buscar novas áreas para aplicar seu trabalho, a equipe encontrou uma oportunidade inexplorada no alumínio e, em especial, nas águas residuais geradas na produção do metal.
Como parte da produção de alumínio, o minério rico em metal, chamado bauxita, é primeiro extraído de minas a céu aberto e depois submetido a uma série de reações químicas para separar o alumínio do restante da rocha extraída. Essas reações acabam produzindo óxido de alumínio, na forma de pó chamado alumina. Grande parte dessa alumina é então enviada para refinarias, onde o pó é despejado em cubas de eletrólise contendo um mineral fundido chamado criolita. Quando uma forte corrente elétrica é aplicada, a criolita quebra as ligações químicas da alumina, separando os átomos de alumínio e oxigênio. O alumínio puro então se deposita na forma líquida no fundo da cuba, onde pode ser coletado e moldado em diversas formas.
O eletrólito de criolita atua como solvente, facilitando a separação da alumina durante o processo de eletrólise do sal fundido. Com o tempo, a criolita acumula impurezas como íons sódio, lítio e potássio – reduzindo gradativamente sua eficácia na dissolução da alumina. A certa altura, a concentração dessas impurezas atinge um nível crítico, no qual o eletrólito deve ser substituído por criolita nova para aumentar a eficiência do processo. A criolita gasta, um lodo viscoso contendo íons de alumínio residuais e impurezas, é então transportada para descarte.
“Aprendemos que, para uma fábrica de alumínio tradicional, são desperdiçadas cerca de 2.800 toneladas de alumínio por ano”, diz o autor principal Trent Lee. “Estávamos procurando maneiras de a indústria ser mais eficiente e descobrimos que os resíduos de criolita não tinham sido bem pesquisados em termos de reciclagem de alguns de seus resíduos”.
Um chute carregado
Em seu novo trabalho, os pesquisadores pretendiam desenvolver um processo de membrana para filtrar resíduos de criolita e recuperar íons de alumínio que inevitavelmente chegam ao fluxo de resíduos. Especificamente, a equipe procurou capturar o alumínio e ao mesmo tempo deixar passar todos os outros íons, especialmente o sódio, que se acumula significativamente na criolita ao longo do tempo.
A equipe concluiu que, se conseguissem capturar seletivamente o alumínio dos resíduos de criolita, o alumínio poderia ser despejado de volta na cuba de eletrólise sem adicionar sódio excessivo, o que retardaria ainda mais o processo de eletrólise.
O novo projeto dos pesquisadores é uma adaptação de membranas utilizadas em estações convencionais de tratamento de água. Essas membranas são normalmente feitas de uma fina folha de material polimérico perfurada por minúsculos poros em escala nanométrica, cujo tamanho é ajustado para permitir a passagem de íons e moléculas específicas.
A superfície das membranas convencionais carrega uma carga negativa natural. Como resultado, as membranas repelem quaisquer íons que carreguem a mesma carga negativa, enquanto atraem íons carregados positivamente para fluir.
Em colaboração com a empresa japonesa de membranas Nitto Denko, a equipe do MIT procurou examinar a eficácia das membranas disponíveis comercialmente que poderiam filtrar a maioria dos íons carregados positivamente em águas residuais de criolita, ao mesmo tempo que repeliam e capturavam íons de alumínio. No entanto, os íons de alumínio também carregam uma carga positiva, de +3, enquanto o sódio e os outros cátions carregam uma carga positiva menor, de +1.
Motivados pelo trabalho recente do grupo investigando membranas para recuperação de lítio de lagos salgados e baterias gastas, a equipe testou uma nova membrana Nitto Denko com um revestimento fino e carregado positivamente cobrindo a membrana. A carga do revestimento é positiva o suficiente para repelir e reter fortemente o alumínio, ao mesmo tempo que permite a passagem de íons com carga menos positiva.
“O alumínio é o íon com carga mais positiva, então a maior parte dele é expelido da membrana”, explica Foo.
A equipe testou o desempenho da membrana passando por soluções com diversos equilíbrios de íons, semelhante ao que pode ser encontrado em resíduos de criolita. Eles observaram que a membrana capturou consistentemente 99,5% dos íons de alumínio, permitindo a passagem do sódio e de outros cátions. Eles também variaram o pH das soluções e descobriram que a membrana manteve seu desempenho mesmo depois de permanecer em solução altamente ácida por várias semanas.
“Muito desse fluxo de resíduos de criolita vem em diferentes níveis de acidez”, diz Foo. “E descobrimos que a membrana funciona muito bem, mesmo nas condições adversas que esperaríamos.”
A nova membrana experimental tem aproximadamente o tamanho de uma carta de baralho. Para tratar resíduos de criolita em uma planta de produção de alumínio em escala industrial, os pesquisadores imaginam uma versão ampliada da membrana, semelhante à usada em muitas plantas de dessalinização, onde uma longa membrana é enrolada em uma configuração espiral, através da qual a água fluxos.
“Este artigo mostra a viabilidade das membranas para inovações em economias circulares”, diz Lee. “Esta membrana oferece o duplo benefício de reciclar o alumínio e, ao mesmo tempo, reduzir resíduos perigosos.”
Artigo: “Aprimorando a circularidade de recursos na produção de alumínio por meio da nanofiltração de resíduos de criolita”
