Процесс нанофильтрации, разработанный учёными MIT, улавливает алюминий из производственных отходов

Алюминий является вторым по объему производства металлом в мире после стали. К концу этого десятилетия спрос, как ожидается, приведет к увеличению производства алюминия на 40 процентов во всем мире. Этот резкий рост увеличит воздействие алюминия на окружающую среду, включая любые загрязняющие вещества, которые выбрасываются с отходами его производства.

Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) разработали новый процесс нанофильтрации для ограничения опасных отходов, образующихся при производстве алюминия. Нанофильтрация потенциально может использоваться для обработки отходов алюминиевого завода и извлечения любых ионов алюминия, которые в противном случае оказались бы в сточном потоке. Затем захваченный алюминий можно перерабатывать и добавлять к основной массе производимого алюминия, увеличивая выход и одновременно сокращая отходы.

Исследователи продемонстрировали эффективность мембраны в лабораторных экспериментах, используя новую мембрану для фильтрации различных растворов, которые по содержанию были схожи с отходами, производимыми алюминиевыми заводами. Они обнаружили, что мембрана селективно захватила более 99 процентов ионов алюминия в этих растворах.

При масштабировании и внедрении на существующих производственных предприятиях мембранная технология может сократить количество отходов алюминия и улучшить экологическое качество отходов, которые производятся заводами.

«Эта мембранная технология не только сокращает количество опасных отходов, но и обеспечивает круговую экономику для алюминия, сокращая потребность в новой добыче», — говорит Джон Линхард, профессор Массачусетского технологического института. «Это предлагает многообещающее решение для решения экологических проблем, одновременно удовлетворяя растущий спрос на алюминий».

Линхард и его коллеги сообщают о своих результатах в исследовании, опубликованном в журнале ACS Sustainable Chemistry and Engineering. Соавторами исследования являются студенты факультета машиностроения Массачусетского технологического института Трент Ли и Винн Нгуен, а также Цзы Хао Фу, который является постдоком Калифорнийского университета в Беркли.

Группа Линхарда в Массачусетском технологическом институте разрабатывает мембранные и фильтрационные технологии для опреснения морской воды и очистки различных источников сточных вод. В поисках новых областей для применения своей работы команда обнаружила неисследованную возможность в алюминии и, в частности, в сточных водах, образующихся при производстве металла.

В процессе производства алюминия богатая металлами руда, называемая бокситом, сначала добывается в открытых карьерах, затем подвергается ряду химических реакций для отделения алюминия от остальной части добытой породы. В результате этих реакций в конечном итоге получается оксид алюминия в порошкообразной форме, называемый глиноземом. Большая часть этого глинозема затем отправляется на аффинажные заводы, где порошок заливается в электролизные ванны, содержащие расплавленный минерал, называемый криолитом. При подаче сильного электрического тока криолит разрывает химические связи глинозема, разделяя атомы алюминия и кислорода. Затем чистый алюминий в жидкой форме оседает на дне ванны, где его можно собрать и отлить в различные формы.

Криолитовый электролит действует как растворитель, облегчая отделение глинозема в процессе электролиза расплавленной соли. Со временем криолит накапливает примеси, такие как ионы натрия, лития и калия, постепенно снижая свою эффективность в растворении глинозема. В определенный момент концентрация этих примесей достигает критического уровня, при котором электролит необходимо заменить свежим криолитом для обеспечения эффективности основного процесса. Отработанный криолит, вязкий шлам, содержащий остаточные ионы алюминия и примеси, затем вывозится на утилизацию.   

«Мы узнали, что на традиционном алюминиевом заводе ежегодно выбрасывается около 2800 тонн алюминия», — говорит ведущий автор Трент Ли. «Мы искали способы повышения эффективности отрасли и обнаружили, что отходы криолита недостаточно изучены с точки зрения переработки некоторых из их отходов».

В своей новой работе исследователи стремились разработать мембранный процесс для фильтрации отходов криолита и извлечения ионов алюминия, которые неизбежно попадают в поток отходов. В частности, команда стремилась захватить алюминий, пропуская все другие ионы, особенно натрий, который со временем значительно накапливается в криолите.

Команда пришла к выводу, что если бы им удалось избирательно извлекать алюминий из криолитовых отходов, его можно было бы заливать обратно в электролизную ванну, не добавляя избыточного количества натрия, что еще больше замедлило бы процесс электролиза.

Новая разработка исследователей представляет собой адаптацию мембран, используемых в обычных водоочистных сооружениях. Эти мембраны обычно изготавливаются из тонкого листа полимерного материала, который перфорирован крошечными порами нанометрового масштаба, размер которых настроен на пропускание определенных ионов и молекул.

Поверхность обычных мембран несет естественный отрицательный заряд. В результате мембраны отталкивают любые ионы, несущие тот же отрицательный заряд, в то время как они притягивают положительно заряженные ионы, чтобы они проходили через них.

В сотрудничестве с японской мембранной компанией Nitto Denko команда MIT стремилась изучить эффективность коммерчески доступных мембран, которые могли бы фильтровать большинство положительно заряженных ионов в криолитовых сточных водах, отталкивая и захватывая ионы алюминия. Однако ионы алюминия также несут положительный заряд +3, тогда как натрий и другие катионы несут меньший положительный заряд +1.

Вдохновленная недавней работой группы по исследованию мембран для извлечения лития из соляных озер и отработанных батарей, команда протестировала новую мембрану Nitto Denko с тонким, положительно заряженным покрытием, покрывающим мембрану. Заряд покрытия достаточно положителен, чтобы сильно отталкивать и удерживать алюминий, одновременно пропуская менее положительно заряженные ионы.

«Алюминий — самый положительно заряженный ион, поэтому большая его часть отбрасывается от мембраны», — объясняет Фу.

Команда проверила производительность мембраны, пропуская ее через растворы с различным балансом ионов, похожим на тот, что можно найти в отходах криолита. Они заметили, что мембрана последовательно захватывала 99,5 процентов ионов алюминия, пропуская при этом натрий и другие катионы. Они также варьировали pH растворов и обнаружили, что мембрана сохраняла свою производительность даже после пребывания в сильнокислом растворе в течение нескольких недель.

«Большая часть этого потока криолитовых отходов имеет разную кислотность», — говорит Фу. «И мы обнаружили, что мембрана работает очень хорошо, даже в тех суровых условиях, которые мы ожидаем».

Новая экспериментальная мембрана размером с игральную карту. Для обработки криолитовых отходов на промышленном заводе по производству алюминия исследователи представляют себе увеличенную версию мембраны, похожую на ту, что используется на многих опреснительных установках, где длинная мембрана свернута в спиральную конфигурацию, через которую протекает вода.

«Эта статья показывает жизнеспособность мембран для инноваций в экономике замкнутого цикла», — говорит Ли. «Эта мембрана обеспечивает двойную выгоду от переработки алюминия и сокращения опасных отходов».

Источник