Usado em tudo, de latas de refrigerante e envoltório de papel alumínio a placas de circuito e propulsores de foguetes, o alumínio é o segundo metal mais produzido no mundo, depois do aço. Até o final desta década, a demanda deverá aumentar a produção de alumínio em 40 por cento em todo o mundo. Esse aumento acentuado ampliará os impactos ambientais do alumínio, incluindo quaisquer poluentes que sejam liberados com seus resíduos de fabricação.

Engenheiros do MIT desenvolveram um novo processo de nanofiltração para conter os resíduos perigosos gerados pela produção de alumínio. A nanofiltração poderia ser usada para processar os resíduos de uma planta 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 que eram similares em conteúdo aos fluxos de resíduos produzidos por plantas de alumínio. Eles descobriram que a membrana capturou seletivamente mais de 99 por cento dos íons de alumínio nessas soluções.

Se ampliada e implementada em instalações de produção existentes, a tecnologia de membrana poderia reduzir a quantidade de alumínio desperdiçado e melhorar a qualidade ambiental dos resíduos gerados pelas plantas.

“Essa tecnologia de membrana não apenas reduz resíduos perigosos, mas também permite uma economia circular para o alumínio, reduzindo a necessidade de nova mineração”, diz John Lienhard, Professor Abdul Latif Jameel de Água no Departamento de Engenharia Mecânica e diretor do Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS) no MIT. “Isso oferece uma solução promissora para abordar preocupações ambientais, ao mesmo tempo em que atende à crescente demanda por alumínio.”

Lienhard e seus colegas relatam seus resultados em um estudo que aparece hoje no periódico  ACS Sustainable Chemistry and Engineering . Os coautores do estudo incluem os estudantes de graduação em engenharia mecânica do MIT Trent Lee e Vinn Nguyen, e Zi Hao Foo SM '21, PhD '24, que é pós-doutorado na University of California em Berkeley.

O grupo de Lienhard no MIT desenvolve tecnologias de membrana e filtragem para dessalinizar água do mar e remediar várias fontes de águas residuais. Ao procurar novas áreas para aplicar seu trabalho, a equipe encontrou uma oportunidade inexplorada no alumínio e, em particular, nas águas residuais geradas pela produção do metal.

Como parte da produção de alumínio, o minério rico em metal, chamado bauxita, é primeiramente extraído de minas a céu aberto, depois submetido a uma série de reações químicas para separar o alumínio do restante da rocha minerada. Essas reações produzem, em última análise, óxido de alumínio, em uma forma pulverulenta chamada alumina. Grande parte dessa alumina é então enviada para refinarias, onde o pó é despejado em tanques de eletrólise contendo um mineral fundido chamado criolita. Quando uma forte corrente elétrica é aplicada, a criolita quebra as ligações químicas da alumina, separando átomos de alumínio e oxigênio. O alumínio puro então se deposita na forma líquida no fundo do tanque, onde pode ser coletado e moldado em várias formas.

O eletrólito de criolita atua como um solvente, facilitando a separação da alumina durante o processo de eletrólise do sal fundido. Com o tempo, a criolita acumula impurezas como íons de sódio, lítio e potássio — reduzindo gradualmente sua eficácia na dissolução da alumina. Em um certo ponto, a concentração dessas impurezas atinge um nível crítico, no qual o eletrólito deve ser substituído por criolita nova para a eficiência do processo principal. A criolita gasta, um lodo viscoso contendo íons de alumínio residuais e impurezas, é então transportada para descarte.   

Em seu novo trabalho, os pesquisadores visaram desenvolver um processo de membrana para filtrar resíduos de criolita e recuperar íons de alumínio que inevitavelmente entram no fluxo de resíduos. Especificamente, a equipe procurou capturar alumínio enquanto deixava passar todos os outros íons, especialmente 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 no tanque de eletrólise sem adicionar sódio excessivo, o que tornaria o processo de eletrólise ainda mais lento.

O novo design dos pesquisadores é uma adaptação de membranas usadas em estações de tratamento de água convencionais. Essas membranas são tipicamente feitas de uma fina folha de material polimérico que é perfurada por poros minúsculos em escala nanométrica, cujo tamanho é ajustado para deixar passar 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 através delas.

Em colaboração com a empresa japonesa de membranas Nitto Denko, a equipe do MIT buscou examinar a eficácia de membranas disponíveis comercialmente que pudessem filtrar a maioria dos íons carregados positivamente em águas residuais de criolita, ao mesmo tempo em que repeliam e capturavam íons de alumínio. No entanto, os íons de alumínio também carregam uma carga positiva, de +3, onde o sódio e os outros cátions carregam uma carga positiva menor, de +1.

Motivada pelo trabalho recente do grupo investigando membranas para recuperar lítio de lagos salgados e baterias usadas, 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, permitindo que íons menos carregados positivamente fluam.

“O alumínio é o íon mais carregado positivamente, então a maior parte dele é expelida da membrana”, explica Foo.

A equipe testou o desempenho da membrana passando por soluções com vários equilíbrios de íons, semelhante ao que pode ser encontrado em resíduos de criolita. Eles observaram que a membrana capturou consistentemente 99,5 por cento dos íons de alumínio, enquanto permitia a passagem de sódio e outros cátions. Eles também variaram o pH das soluções e descobriram que a membrana manteve seu desempenho mesmo depois de ficar 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 dentro das 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 ao que é usado em muitas plantas de dessalinização, onde uma longa membrana é enrolada em uma configuração espiral, através da qual a água flui.

“Este artigo mostra a viabilidade de membranas para inovações em economias circulares”, diz Lee. “Esta membrana fornece o benefício duplo de upcycling de alumínio enquanto reduz resíduos perigosos.”