¡El futuro del reciclaje! Científicos del MIT desarrollan un filtro para capturar y reutilizar los residuos de aluminio
Ingenieros del MIT diseñaron un proceso de nanofiltración que podría hacer que la producción de aluminio sea más eficiente, y al mismo tiempo capaz de reducir los residuos peligrosos.
El aluminio, es el segundo metal más producido en el mundo después del acero. Se utiliza en todo tipo de materiales, desde latas de gaseosa y papel de aluminio para uso diario y doméstico, hasta placas de circuitos y cohetes propulsores.
Se estima que, para finales de esta década, la demanda de aluminio aumentará su producción en un 40 % en todo el mundo. Este pronunciado aumento magnificará los impactos ambientales causados por este metal, 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. Los resultados en un estudio se publicaron en la revista ACS, Sustainable Chemistry and Engineering.
La nanofiltración del 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. Descubrieron que capturaba selectivamente más del 99 % 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.
Una oportunidad para el aluminio
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 (la criolita actúa como disolvente).
El aluminio puro se deposita en forma líquida en el fondo de la cuba, donde se puede recolectar y moldear en diversas formas. 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.
Reducción de residuos peligrosos
En su nuevo trabajo, los investigadores de MIT, 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, motivado por el trabajo reciente del grupo en la investigación de membranas para recuperar litio de lagos salados y baterías usadas, probaron 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 equipo probó el rendimiento de la membrana, observaron que la membrana capturaba de manera constante el 99.5 % de los iones de aluminio, mientras que dejaba pasar el sodio y los demás cationes.
La nueva membrana experimental tiene el tamaño de menos de 10 centímetros, 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”.
Referencias de la noticia:
Enhancing Resource Circularity in Aluminum Production through Nanofiltration of Waste Cryolite. Lee, Trent R. AU, Foo, Zi Hao, et al. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 6 de enero de 2025.
New filter captures and recycles aluminum from manufacturing waste. Jennifer Chu para MIT News. 7 de enero de 2025.