Jennifer Chu | MIT News
Usado em tudo, desde latas de refrigerante e papel alumínio até placas de circuito e propulsores de foguetes, o alumínio é o segundo metal mais produzido no mundo, atrás apenas do aço. Até o final desta década, estima-se que a demanda aumente a produção global de alumínio em 40%. Esse crescimento acentuado amplificará os impactos ambientais do alumínio, incluindo os poluentes liberados com os resíduos de sua fabricação.
Engenheiros do MIT desenvolveram um novo processo de nanofiltração para reduzir os resíduos perigosos gerados pela produção de alumínio. A nanofiltração pode ser usada para processar os resíduos de uma planta de alumínio e recuperar íons de alumínio que, de outra forma, escapariam na corrente de efluentes. O alumínio capturado pode então ser reaproveitado e adicionado ao volume principal do alumínio produzido, aumentando o rendimento e reduzindo os resíduos ao mesmo tempo.
Os pesquisadores demonstraram o desempenho da membrana em experimentos em escala laboratorial, utilizando uma membrana inovadora para filtrar diversas soluções semelhantes aos fluxos de resíduos gerados por plantas de alumínio. Descobriram que a membrana capturou seletivamente mais de 99% dos íons de alumínio nessas soluções.
Se ampliada e implementada em instalações de produção existentes, a tecnologia de membranas poderia reduzir a quantidade de alumínio desperdiçado e melhorar a qualidade ambiental dos resíduos gerados pelas plantas industriais.
“Essa tecnologia de membranas não apenas reduz os resíduos perigosos, mas também promove uma economia circular para o alumínio, diminuindo a necessidade de novas atividades de mineração”, diz John Lienhard, Professor Abdul Latif Jameel de Água no Departamento de Engenharia Mecânica e diretor do Laboratório Abdul Latif Jameel de Sistemas de Água e Alimentos (J-WAFS) no MIT. “Essa é uma solução promissora para enfrentar preocupações ambientais enquanto atende à crescente demanda por alumínio.”
Lienhard e seus colegas apresentaram os resultados em um estudo publicado hoje no ACS Sustainable Chemistry and Engineering. Os coautores do estudo incluem os graduandos em engenharia mecânica do MIT Trent Lee e Vinn Nguyen, e Zi Hao Foo, SM ’21, PhD ’24, atualmente pós-doutorando na Universidade da Califórnia em Berkeley.
Um nicho de reciclagem
O grupo de Lienhard no MIT desenvolve tecnologias de membranas e filtração para dessalinização de água do mar e remediação de diversas fontes de águas residuais. Ao buscar novas áreas para aplicar seu trabalho, a equipe encontrou uma oportunidade inexplorada na produção de alumínio, especificamente nos resíduos líquidos gerados durante o processo.
Na produção de alumínio, o minério rico em metal, chamado bauxita, é extraído de minas a céu aberto e submetido a uma série de reações químicas para separar o alumínio do restante da rocha extraída. Essas reações produzem óxido de alumínio, em uma forma pulverulenta conhecida como alumina. Grande parte dessa alumina é enviada para refinarias, onde o pó é despejado em cubas de eletrólise contendo um mineral fundido chamado criolita. Quando uma corrente elétrica intensa é aplicada, a criolita quebra as ligações químicas da alumina, separando os átomos de alumínio e oxigênio. O alumínio puro então se deposita em forma líquida no fundo da cuba, de onde pode ser coletado e moldado em diferentes formas.
A criolita atua como um solvente, facilitando a separação da alumina durante o processo de eletrólise em sal fundido. Com o tempo, a criolita acumula impurezas, como íons de sódio, lítio e potássio, reduzindo gradualmente sua eficiência em dissolver a alumina. Em determinado ponto, a concentração dessas impurezas atinge um nível crítico, exigindo a substituição do eletrólito por criolita nova para manter a eficiência do processo. A criolita usada, uma lama viscosa contendo íons residuais de alumínio e impurezas, é então transportada para descarte.
“Descobrimos que, em uma planta tradicional de alumínio, cerca de 2.800 toneladas de alumínio são desperdiçadas por ano”, diz Trent Lee, autor principal do estudo. “Procuramos maneiras de tornar a indústria mais eficiente e percebemos que os resíduos de criolita não haviam sido bem pesquisados em termos de reciclagem de seus subprodutos.”
Um impulso carregado
No novo trabalho, os pesquisadores buscaram desenvolver um processo de membrana para filtrar o resíduo de criolita e recuperar os íons de alumínio que inevitavelmente fazem parte da corrente de resíduos. Especificamente, a equipe procurou capturar o alumínio, permitindo que outros íons, especialmente o sódio, que se acumula significativamente na criolita ao longo do tempo, passassem livremente.
A equipe concluiu que, se conseguissem capturar seletivamente o alumínio do resíduo de criolita, o alumínio poderia ser reinserido na cuba de eletrólise sem adicionar sódio excessivo, o que reduziria ainda mais a eficiência do processo de eletrólise.
O novo design dos pesquisadores é uma adaptação das membranas usadas em plantas convencionais de tratamento de água. Essas membranas são geralmente 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 específicos.
A superfície das membranas convencionais possui uma carga negativa natural. Como resultado, elas repelem quaisquer íons com carga negativa, enquanto atraem íons com carga positiva para passar através delas.
Em colaboração com a empresa japonesa de membranas Nitto Denko, a equipe do MIT procurou examinar a eficácia de membranas comerciais disponíveis, que poderiam filtrar a maioria dos íons carregados positivamente nos resíduos de criolita, enquanto repelem e capturam os íons de alumínio. No entanto, os íons de alumínio também têm uma carga positiva de +3, enquanto o sódio e os outros cátions têm uma carga positiva menor de +1.
Motivados pelo trabalho recente do grupo na investigação de membranas para recuperar lítio de lagos salgados e baterias usadas, a equipe testou uma membrana nova da Nitto Denko com uma camada fina e carregada positivamente, cobrindo a membrana. A carga dessa camada é suficientemente positiva para repelir fortemente e reter o alumínio, permitindo a passagem de íons com carga positiva menor.
“O alumínio é o íon mais positivamente carregado, então a maior parte dele é expulsa da membrana”, explica Foo.
A equipe testou o desempenho da membrana passando soluções com diferentes balances de íons, semelhantes ao que pode ser encontrado nos resíduos de criolita. Observaram que a membrana capturou consistentemente 99,5% dos íons de alumínio, permitindo a passagem de sódio e outros cátions. Também variaram o pH das soluções e descobriram que a membrana manteve seu desempenho mesmo após ficar em soluções altamente ácidas por várias semanas.
“Muito dessa corrente de resíduos de criolita vem com diferentes níveis de acidez”, diz Foo. “E descobrimos que a membrana funciona muito bem, mesmo nas condições severas que esperaríamos.”
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A nova membrana experimental tem aproximadamente o tamanho de uma carta de baralho. Para tratar os 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 flui.
“Este artigo demonstra a viabilidade das membranas para inovações em economias circulares”, diz Lee. “Essa membrana oferece o duplo benefício de reaproveitar o alumínio enquanto reduz os resíduos perigosos.”
Reimpresso com permissão do MIT News.
