Selective Separation of Ni 2+ /Co 2+ and H + from MWCNT Purification Waste Acid by an Acid-Resistant Nanofiltration Membrane and Reuse Evaluation

En lo profundo de las baterías de iones de litio que alimentan los vehículos eléctricos y la electrónica portátil se encuentra un componente crítico: el nanotubo de carbono. Estas son estructuras microscópicas en forma de tubo hechas de átomos de carbono, famosas por su resistencia y su capacidad para conducir electricidad. Para fabricarlos, los ingenieros suelen utilizar diminutas partículas de metales como el níquel y el cobalto como catalizadores para ayudar a que el carbono crezca con su forma perfecta. Sin embargo, una vez que los tubos se forman, estas partículas metálicas quedan atrapadas dentro o adheridas a la superficie, actuando como impurezas que deben ser eliminadas para que el material sea útil para baterías de alto rendimiento. La forma estándar de limpiarlos consiste en hervir los tubos en ácido sulfúrico fuerte, un proceso que disuelve las partículas metálicas no deseadas en el líquido. Esto deja tras de sí un flujo de residuos que es peligrosamente ácido y está lleno de metales disueltos. Tradicionalmente, las fábricas neutralizan este residuo con grandes cantidades de productos químicos, creando un lodo de desechos peligrosos y desperdiciando tanto los metales valiosos como el ácido, lo que constituye un ciclo costoso y ambientalmente dañino.

Un equipo de investigadores en China ha encontrado una manera de romper este ciclo utilizando un filtro especializado. En lugar de neutralizar el residuo, hicieron pasar el flujo a través de una membrana diseñada para resistir el ácido fuerte. Esta membrana actúa como un tamiz muy fino que deja pasar las moléculas de agua y de ácido mientras retiene los iones metálicos más pesados. El objetivo era ver si esta separación simple podía concentrar los metales valiosos para su reutilización y devolver el ácido limpio a la fábrica para ser usado nuevamente. Los investigadores probaron este método en dos tipos diferentes de residuos: uno que contenía cobalto y otro que contenía níquel. Descubrieron que la membrana podía separar con éxito los metales del ácido, enriqueciendo los metales a un nivel en el que pudieran ser recuperados fácilmente, mientras producía un flujo de ácido limpio que era tan efectivo como el ácido fresco para la siguiente ronda de limpieza.

El estudio se centró en dos flujos de residuos específicos generados durante la purificación de nanotubos de carbono de pared múltiple. Un flujo provenía de tubos fabricados con un catalizador de cobalto, y el otro de un catalizador de níquel. Ambos flujos eran altamente ácidos, siendo el residuo de níquel ligeramente más agresivo que el de cobalto. Los investigadores bombearon estos líquidos a través de un módulo de membrana comercial, aplicando presión para forzar el líquido a través del filtro. A medida que el proceso continuaba, concentraban gradualmente el líquido, eliminando agua y ácido mientras mantenían los iones metálicos atrás. Monitorearon qué tan bien la membrana retenía los metales y cuánto ácido pasaba en diferentes etapas de concentración.

Para el residuo que contenía cobalto, la membrana funcionó excepcionalmente bien. A medida que concentraban el líquido veinte veces, la cantidad de cobalto en el líquido restante aumentó de unos pocos cientos de miligramos por litro a más de cuatro gramos por litro. La membrana rechazó más del ochenta por ciento de los iones de cobalto, lo que significa que la mayor parte del metal se quedó atrás en el líquido concentrado. También retuvo otras impurezas como el aluminio y el magnesio. Al mismo tiempo, el ácido pasó a través de la membrana con alta eficiencia. Incluso cuando la concentración de metales aumentaba, la membrana continuaba dejando pasar el ácido, recuperando más del noventa por ciento del ácido sulfúrico en el volumen total del líquido que pasó a través. Los investigadores también probaron cómo afectaba el cambio de presión al proceso. Encontraron que aumentar la presión empujaba más líquido a través del filtro, lo que de hecho ayudaba a la membrana a retener los metales aún mejor al reducir la acumulación de partículas en la superficie del filtro.

Los resultados para el residuo que contenía níquel fueron igualmente prometedores, aunque las condiciones eran ligeramente diferentes. El residuo de níquel era más ácido, lo que hacía que la membrana trabajara de una manera un poco distinta. En este entorno altamente ácido, la membrana dependía más del tamaño físico de las partículas para realizar la separación en lugar de las fuerzas eléctricas. A pesar de esto, la membrana seguía rechazando más del noventa por ciento de los iones de níquel durante todo el proceso. Al concentrar el líquido veinticinco veces, aumentaron la concentración de níquel de menos de un gramo por litro a casi diecisiete gramos por litro. La recuperación de ácido se mantuvo alta, con más del noventa y tres por ciento del ácido sulfúrico pasando a través de la membrana. La mayor acidez significaba que el líquido se movía a través del filtro más lentamente que el residuo de cobalto, pero la separación se mantuvo estable y efectiva.

Para demostrar que el ácido recuperado era realmente útil, los investigadores lo pusieron de nuevo a trabajar. Tomaron el ácido limpio que había pasado por la membrana y lo utilizaron para purificar nuevos lotes de nanotubos de carbono. Compararon este ácido reciclado con el ácido sulfúrico fresco y nuevo. Los resultados fueron casi idénticos. Cuando utilizaron el ácido reciclado para limpiar los tubos basados en cobalto, la cantidad de metal residual cayó de más del seis por ciento a menos del medio por ciento. Para los tubos basados en níquel, el residuo de metal cayó de más del siete por ciento a medio por ciento. El ácido fresco logró niveles de residuo casi tan bajos como esos. Esto confirmó que el ácido, tras ser separado de los metales, era tan efectivo como el ácido nuevo para el proceso de limpieza industrial.

El estudio también examinó la estructura física de los nanotubos de carbono después de haber sido limpiados con el ácido reciclado. Utilizando microscopios potentes, los investigadores observaron los tubos antes y después de la purificación. Antes de la limpieza, los tubos estaban cubiertos de motas oscuras de catalizador metálico. Después de ser tratados con el ácido reciclado, estas motas habían desaparecido, dejando los tubos limpios y lisos. La estructura de los propios tubos permaneció intacta, sin mostrar signos de daño o ruptura. Esto demostró que el proceso de reciclaje no dañó el material valioso que debía limpiar.

Este enfoque ofrece una mejora significativa sobre el método tradicional de neutralizar el ácido residual. El método antiguo requiere añadir grandes cantidades de productos químicos para neutralizar el ácido, lo que crea una enorme cantidad de lodo tóxico que debe ser desechado, y destruye el valor del ácido y los metales. El nuevo método utiliza una barrera física para separar los componentes, evitando la necesidad de productos químicos adicionales y previniendo la creación de lodo peligroso. Permite que la fábrica mantenga el ácido en un ciclo cerrado, utilizándolo una y otra vez, mientras concentra los metales valiosos para su recuperación. Aunque los investigadores señalaron que no probaron cómo resistiría la membrana tras muchos años de uso continuo, sus hallazgos muestran que el proceso es técnicamente factible y efectivo para tratar estos residuos industriales específicos. El estudio proporciona un camino claro hacia una forma más sostenible de producir los materiales necesarios para la próxima generación de almacenamiento de energía.