新しいフィルターは製造廃棄物からアルミニウムを捕捉してリサイクル |マサチューセッツ工科大学ニュース

アルミニウムは、ソーダ缶やホイルラップから回路基板やロケットブースターに至るまであらゆるものに使用されており、鉄鋼に次いで世界で 2 番目に多く生産されている金属です。この 10 年の終わりまでに、需要により世界中でアルミニウムの生産が 40% 増加すると予測されています。この急激な上昇は、製造廃棄物とともに放出される汚染物質を含め、アルミニウムの環境への影響を拡大させるだろう。

MIT のエンジニアは、アルミニウムの製造から発生する有害廃棄物を抑制するための新しいナノ濾過プロセスを開発しました。ナノろ過は、アルミニウム工場からの廃棄物を処理し、さもなければ流出流中に漏れ出たであろうアルミニウムイオンを回収するために使用できる可能性がある。捕集されたアルミニウムはアップサイクルされ、製造されたアルミニウムの大部分に加えられるため、収量が増加すると同時に廃棄物が削減されます。

研究者らは、アルミニウム工場で生成される廃棄物の流れと内容が類似したさまざまな溶液を濾過するための新しい膜を使用した実験室規模の実験で膜の性能を実証した。彼らは、膜がこれらの溶液中のアルミニウムイオンの 99% 以上を選択的に捕捉することを発見しました。

この膜技術を規模を拡大して既存の生産施設に導入すれば、廃棄されるアルミニウムの量を削減し、工場から発生する廃棄物の環境の質を改善できる可能性があります。

「この膜技術は、有害廃棄物を削減するだけでなく、新たな採掘の必要性を減らすことでアルミニウムの循環経済を可能にします」と、機械工学科水学科のアブドゥル・ラティフ・ジャミール教授で、同研究所所長のジョン・リーンハルト氏は言う。 MIT のアブドゥル・ラティフ・ジャミール水・食品システム研究所 (J-WAFS)。 「これは、アルミニウムの需要の高まりに応えながら、環境問題に対処する有望なソリューションを提供します。」

リーンハルトと彼の同僚が研究結果を報告 今日の日記に掲載される ACS 持続可能な化学と工学。この研究の共著者には、MIT 機械工学部の学部生であるトレント・リー氏とビン・グエン氏、およびカリフォルニア大学バークレー校の博士研究員である Zi Hao Foo SM ’21, PhD’24 が含まれています。

リサイクルのニッチ市場

MIT のリーンハルト氏のグループは、海水の脱塩とさまざまな廃水源の浄化のための膜および濾過技術を開発しています。自分たちの研究を応用できる新しい分野を探していたところ、チームはアルミニウム、特に金属の製造から発生する廃水に未開発の機会を発見しました。

アルミニウムの生産の一環として、ボーキサイトと呼ばれる金属が豊富な鉱石がまず露天掘りで採掘され、その後一連の化学反応を経て採掘された岩石の残りの部分からアルミニウムが分離されます。これらの反応により、最終的にはアルミナと呼ばれる粉末状の酸化アルミニウムが生成されます。このアルミナの大部分はその後製油所に輸送され、そこで粉末は氷晶石と呼ばれる溶融鉱物が入った電解バットに注がれます。強力な電流が印加されると、氷晶石はアルミナの化学結合を破壊し、アルミニウムと酸素原子を分離します。純粋なアルミニウムは液体の状態でバットの底に沈み、そこで集められ、さまざまな形状に鋳造されます。

氷晶石電解質は溶媒として機能し、溶融塩電解プロセス中のアルミナの分離を促進します。時間の経過とともに、氷晶石にはナトリウム、リチウム、カリウムイオンなどの不純物が蓄積し、アルミナを溶解する効果が徐々に低下します。ある時点で、これらの不純物の濃度は臨界レベルに達し、このレベルに達すると、主要なプロセス効率を高めるために電解液を新しい氷晶石と交換する必要があります。使用済み氷晶石は、残留アルミニウムイオンと不純物を含む粘稠なスラッジであり、その後、廃棄のために輸送されます。

「従来のアルミニウム工場では、年間 2,800 トンものアルミニウムが廃棄されていることがわかりました」と筆頭著者のトレント・リーは言います。 「私たちは業界がより効率化できる方法を検討していましたが、一部の廃棄製品のリサイクルに関して氷晶石廃棄物が十分に研究されていないことがわかりました。」

チャージキック

研究者らは新しい研究で、氷晶石廃棄物を濾過し、必然的に廃棄物の流れに混入するアルミニウムイオンを回収する膜プロセスを開発することを目指した。具体的には、チームは他のすべてのイオン、特に時間の経過とともに氷晶石内に著しく蓄積するナトリウムを通過させながら、アルミニウムを捕捉することを検討しました。

研究チームは、氷晶石廃棄物からアルミニウムを選択的に回収できれば、電解プロセスをさらに遅くする過剰なナトリウムを添加することなく、アルミニウムを電解槽に戻すことができると推論した。

研究者の新しい設計は、従来の水処理プラントで使用されている膜を応用したものです。これらの膜は通常、ナノメートルスケールの小さな細孔が開けられたポリマー材料の薄いシートから作られており、そのサイズは特定のイオンや分子を通過させるように調整されています。

従来の膜の表面は、自然な負電荷を帯びています。その結果、膜は同じ負電荷を帯びたイオンを反発する一方で、正電荷を帯びたイオンを引き付けて通過させます。

日本の膜会社日東電工と協力して、MIT チームは、アルミニウムイオンをはじいて捕捉しながら、氷晶石廃水中のほとんどの正電荷イオンを濾過できる市販の膜の有効性を調査しようとしました。ただし、アルミニウム イオンも +3 の正電荷を持ちますが、ナトリウムや他のカチオンは +1 というより小さな正電荷を持ちます。

塩湖や使用済み電池からリチウムを回収するための膜を研究するグループの最近の研究に動機付けられ、チームは膜を覆う薄い正に帯電したコーティングを備えた新しい日東電工膜をテストした。コーティングの電荷は、アルミニウムを強く反発して保持するのに十分な正の電荷を持っていますが、正に帯電していないイオンは通過できます。

「アルミニウムはイオンの中で最も正に帯電しているため、そのほとんどが膜からはじき飛ばされてしまいます」とフー氏は説明する。

研究チームは、氷晶石廃棄物に含まれるものと同様の、さまざまなバランスのイオンを含む溶液を通過させて膜の性能をテストしました。彼らは、膜がナトリウムやその他の陽イオンを通過させながら、アルミニウムイオンの 99.5 パーセントを一貫して捕捉していることを観察しました。彼らはまた、溶液のpHを変化させたところ、強酸性溶液に数週間放置した後でも膜の性能が維持されることを発見した。

「この氷晶石廃棄物の流れの多くは、さまざまなレベルの酸性度で発生します」とフー氏は言います。 「そして、私たちが予想する過酷な条件下でも、膜が非常にうまく機能することがわかりました。」

新しい実験用の膜はトランプくらいの大きさです。工業規模のアルミニウム生産プラントで氷晶石廃棄物を処理するために、研究者らは、多くの淡水化プラントで使用されているものと同様の、長い膜がらせん状に巻かれ、水が通過する膜の拡大版を構想している。流れます。

「この論文は、循環経済におけるイノベーションにおける膜の実現可能性を示しています」とリー氏は言う。 「この膜は、有害廃棄物を削減しながら、アルミニウムをアップサイクルするという二重の利点を提供します。」