Aluminum effizient recyceln: Neues Verfahren macht es möglich!
Ingenieurinnen und Ingenieure des MIT haben ein innovatives Nanofiltrationsverfahren entwickelt, das die Aluminiumproduktion effizienter machen und gleichzeitig gefährliche Abfälle reduzieren könnte. Durch die Rückgewinnung von Aluminiumionen aus Produktionsabfällen und deren Wiederverwertung im Herstellungsprozess ließe sich der Ertrag steigern und die Umweltbelastung verringern.
Bei der Herstellung von Aluminium ließe sich das Material effizienter verwenden.
Foto: PantherMedia / bigtunaonline
Die Aluminiumproduktion ist ein wichtiger Industriezweig, der in den kommenden Jahren voraussichtlich weiterwachsen wird. Bis zum Ende dieses Jahrzehnts wird mit einem Anstieg der weltweiten Aluminiumherstellung um 40 Prozent gerechnet, da das Metall in zahlreichen Bereichen genutzt wird, etwa in der Verpackungsindustrie, der Elektronik sowie in Luft- und Raumfahrt. Dieser rasante Zuwachs birgt aber Herausforderungen mit Blick auf die Umweltauswirkungen. Vor allem die bei der Produktion entstehenden Abfälle sind ein Problem. Um dem zu begegnen, haben Forschende des Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein neues Nanofiltrationsverfahren entwickelt, das nicht nur die Menge an gefährlichen Abfällen reduzieren, sondern auch die Aluminiumherstellung effizienter machen könnte.
Das Verfahren basiert auf einer speziellen Membran, die in der Lage ist, Aluminiumionen selektiv aus den Abwasserströmen der Aluminiumproduktion herauszufiltern. In Laborexperimenten konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bereits nachweisen, dass die Membran mehr als 99 Prozent der in den Testlösungen enthaltenen Aluminiumionen auffängt. Durch den Einsatz dieser Technologie in bestehenden Produktionsanlagen ließe sich nicht nur die Menge an anfallenden Aluminiumabfällen deutlich verringern, sondern auch die Umweltverträglichkeit der Abfälle verbessern. Das zurückgewonnene Aluminium könnte anschließend wieder dem Produktionsprozess zugeführt werden, wodurch sich der Ertrag erhöhen und der Abbau reduzieren ließe.
Nanofilter fängt mehr als 99 Prozent der Aluminiumionen
John Lienhard, Professor für Wasser am MIT und Direktor des Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), betont die Bedeutung dieser Entwicklung: „Diese Membrantechnologie reduziert nicht nur gefährliche Abfälle, sondern ermöglicht auch eine Kreislaufwirtschaft für Aluminium, indem sie den Bedarf an neuem Bergbau verringert. Das bietet eine vielversprechende Lösung, um Umweltprobleme anzugehen und gleichzeitig die wachsende Nachfrage nach Aluminium zu decken.“ Gemeinsam mit seinen Kolleginnen und Kollegen veröffentlichte Lienhard die Ergebnisse ihrer Forschungsarbeit in der renommierten Fachzeitschrift ACS Sustainable Chemistry and Engineering. Das Team um Lienhard, das sich schwerpunktmäßig mit der Entwicklung von Membran- und Filtrationstechnologien befasst, erkannte in der Aluminiumproduktion ein bislang unerschlossenes Anwendungsgebiet für ihre Arbeit.
Bei der Herstellung von Aluminium wird zunächst Bauxit, ein metallreiches Erz, im Tagebau gewonnen und anschließend in mehreren chemischen Reaktionsschritten vom restlichen Gestein getrennt. Das dabei entstehende Aluminiumoxid-Pulver, auch Tonerde genannt, wird dann in Elektrolysewannen gegossen, die geschmolzenen Kryolith enthalten. Durch Anlegen eines starken elektrischen Stroms werden die chemischen Bindungen des Aluminiums aufgebrochen und die Aluminium- und Sauerstoffatome voneinander getrennt. Das reine Aluminium sammelt sich in flüssiger Form am Boden des Bottichs und kann anschließend in verschiedene Formen gegossen werden. Im Lauf der Zeit reichern sich im Kryolith jedoch Verunreinigungen wie Natrium-, Lithium- und Kaliumionen an, wodurch es beim beim Auflösen von Aluminiumoxid nach und nach weniger wirksam wird.
Kryolith-Abfälle als Quelle für Aluminiumionen bislang wenig erforscht
Sobald die Verunreinigungen im Kryolith ein kritisches Niveau erreichen, muss es durch frischen Kryolith ersetzt werden, um die Effizienz des Prozesses aufrechtzuerhalten. Der verbrauchte Kryolith, ein zähflüssiger Schlamm mit Restaluminiumionen und Verunreinigungen, wird dann zur Entsorgung abtransportiert. „Wir haben herausgefunden, dass in einem herkömmlichen Aluminiumwerk etwa 2.800 Tonnen Aluminium pro Jahr verschwendet werden“, sagt Trent Lee, Hauptautor der Studie. „Wir haben nach Möglichkeiten gesucht, wie die Industrie effizienter arbeiten kann, und dabei festgestellt, dass Kryolithabfälle in Bezug auf das Recycling ihrer Abfallprodukte noch nicht gut erforscht sind.“ Genau da setzt die Arbeit des MIT-Teams an, das ein Membranverfahren entwickeln wollte, um die im Kryolith-Abfallstrom enthaltenen Aluminiumionen zurückzugewinnen.
Die Forschenden adaptierten für ihr neues Design Membranen, wie sie in konventionellen Wasseraufbereitungsanlagen zum Einsatz kommen. Diese bestehen üblicherweise aus einer dünnen Polymerschicht mit Poren im Nanometerbereich, deren Größe so abgestimmt ist, dass sie bestimmte Ionen und Moleküle passieren lassen. Da die Oberfläche herkömmlicher Membranen von Natur aus negativ geladen ist, stoßen sie gleichartig geladene Ionen ab, während sie positiv geladene Ionen anziehen und durchlassen. In Kooperation mit dem japanischen Membranhersteller Nitto Denko untersuchte das MIT-Team die Wirksamkeit kommerziell erhältlicher Membranen, die zwar die meisten positiv geladenen Ionen im Kryolith-Abwasser filtern, die ebenfalls positiv geladenen Aluminiumionen jedoch abstoßen und einfangen können.
Spezialbeschichtung ermöglicht selektives Aluminiumionen-Recycling
Inspiriert durch frühere Arbeiten zur Rückgewinnung von Lithium testeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine neuartige Nitto-Denko-Membran mit einer dünnen, positiv geladenen Beschichtung. Diese ist gerade positiv genug, um die mit +3 geladenen Aluminiumionen stark abzustoßen und zurückzuhalten, während die weniger positiv geladenen Ionen wie Natrium (+1) hindurchfließen können. In verschiedenen Versuchsreihen mit unterschiedlichen Ionenverhältnissen und pH-Werten, die den Bedingungen in Kryolith-Abfällen nachempfunden waren, bewies die Membran durchweg ihre Leistungsfähigkeit und fing 99,5 Prozent der Aluminiumionen ein. „Ein Großteil dieses Kryolith-Abfallstroms weist unterschiedliche Säuregehalte auf“, erklärt Co-Autor Zi Hao Foo. „Und wir haben festgestellt, dass die Membran auch unter den zu erwartenden rauen Bedingungen wirklich gut funktioniert.“
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