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

Nas profundezas das baterias de íons de lítio que alimentam veículos elétricos e eletrônicos portáteis, reside um componente crítico: o nanotubo de carbono. Estas são estruturas microscópicas em forma de tubo, feitas de átomos de carbono, renomadas por sua resistência e capacidade de conduzir eletricidade. Para fabricá-los, engenheiros frequentemente utilizam minúsculas partículas de metais como níquel e cobalto como catalisadores para ajudar o carbono a crescer em sua forma perfeita. No entanto, uma vez que os tubos são formados, essas partículas metálicas permanecem presas dentro ou grudadas na superfície, agindo como impurezas que devem ser removidas para tornar o material útil para baterias de alto desempenho. A maneira padrão de limpá-los envolve ferver os tubos em ácido sulfúrico forte, um processo que dissolve as partículas metálicas indesejadas no líquido. Isso deixa para trás um fluxo de resíduos que é perigosamente ácido e repleto de metais dissolvidos. Tradicionalmente, as fábricas neutralizam esse resíduo com grandes quantidades de produtos químicos, criando uma lama de resíduos perigosos e jogando fora tanto os metais valiosos quanto o ácido, o que é um ciclo dispendioso e ambientalmente prejudicial.

Uma equipe de pesquisadores na China encontrou uma maneira de quebrar esse ciclo usando um filtro especializado. Em vez de neutralizar o resíduo, eles o passaram por uma membrana projetada para resistir ao ácido forte. Esta membrana atua como um peneira muito fina que deixa as moléculas de água e ácido passarem, enquanto retém os íons metálicos mais pesados. O objetivo era ver se essa separação simples poderia concentrar os metais valiosos para reutilização e devolver o ácido limpo à fábrica para ser usado novamente. Os pesquisadores testaram este método em dois tipos diferentes de resíduos: um contendo cobalto e outro contendo níquel. Eles descobriram que a membrana conseguia separar com sucesso os metais do ácido, enriquecendo os metais a um nível onde poderiam ser facilmente recuperados, enquanto produzia um fluxo de ácido limpo que era tão eficaz quanto o ácido novo para a próxima rodada de limpeza.

O estudo focou em dois fluxos de resíduos específicos gerados durante a purificação de nanotubos de carbono de paredes múltiplas. Um fluxo vinha de tubos feitos com um catalisador de cobalto, e o outro de um catalisador de níquel. Ambos os fluxos eram altamente ácidos, sendo o resíduo de níquel ligeiramente mais agressivo que o de cobalto. Os pesquisadores bombearam esses líquidos através de um módulo de membrana comercial, aplicando pressão para forçar o líquido através do filtro. À medida que o processo continuava, eles gradualmente concentravam o líquido, removendo água e ácido enquanto mantinham os íons metálicos para trás. Eles monitoraram quão bem a membrana retinha os metais e quanto ácido passava em diferentes estágios de concentração.

Para o resíduo contendo cobalto, a membrana desempenhou um papel excepcional. Conforme concentravam o líquido vinte vezes, a quantidade de cobalto no líquido restante aumentava de alguns centenas de miligramas por litro para mais de quatro gramas por litro. A membrana rejeitou mais de oitenta por cento dos íons de cobalto, o que significa que a maior parte do metal permaneceu retida no líquido concentrado. Ela também reteve outras impurezas, como alumínio e magnésio. Ao mesmo tempo, o ácido passou pela membrana com alta eficiência. Mesmo conforme a concentração de metais aumentava, a membrana continuava a deixar o ácido passar, recuperando mais de noventa por cento do ácido sulfúrico no volume total de líquido que passou. Os pesquisadores também testaram como a mudança de pressão afetava o processo. Eles descobriram que aumentar a pressão empurrava mais líquido através do filtro, o que na verdade ajudava a membrana a reter os metais ainda melhor, reduzendo o acúmulo de partículas na superfície do filtro.

Os resultados para o resíduo contendo níquel foram igualmente promissores, embora as condições fossem ligeiramente diferentes. O resíduo de níquel era mais ácido, o que fez a membrana trabalhar de forma um pouco diferente. Neste ambiente altamente ácido, a membrana dependia mais do tamanho físico das partículas para fazer a separação do que de forças elétricas. Apesar disso, a membrana ainda rejeitou mais de noventa por cento dos íons de níquel durante todo o processo. Ao concentrar o líquido vinte e cinco vezes, eles aumentaram a concentração de níquel de menos de um grama por litro para quase dezessete gramas por litro. A recuperação de ácido permaneceu alta, com mais de noventa e três por cento do ácido sulfúrico passando pela membrana. A maior acidez significava que o líquido se movia através do filtro mais lentamente do que o resíduo de cobalto, mas a separação permaneceu estável e eficaz.

Para provar que o ácido recuperado era verdadeiramente útil, os pesquisadores o colocaram para trabalhar novamente. Eles pegaram o ácido limpo que havia passado pela membrana e o usaram para purificar novos lotes de nanotubos de carbono. Eles compararam este ácido reciclado com o ácido sulfúrico novo e virgem. Os resultados foram quase idênticos. Quando usaram o ácido reciclado para limpar os tubos baseados em cobalto, a quantidade de metal restante caiu de mais de seis por cento para menos de meio por cento. Para os tubos baseados em níquel, o resíduo de metal caiu de mais de sete por cento para meio por cento. O ácido novo alcançou níveis de resíduo quase tão baixos. Isso confirmou que o ácido, após ser separado dos metais, era tão eficaz quanto o ácido novo para o processo de limpeza industrial.

O estudo também examinou a estrutura física dos nanotubos de carbono após serem limpos com o ácido reciclado. Usando microscópios poderosos, os pesquisadores observaram os tubos antes e depois da purificação. Antes da limpeza, os tubos estavam cobertos por pontos escuros de catalisador metálico. Após serem tratados com o ácido reciclado, esses pontos desapareceram, deixando os tubos limpos e lisos. A estrutura dos próprios tubos permaneceu intacta, não mostrando sinais de danos ou quebras. Isso demonstrou que o processo de reciclagem não prejudicou o material valioso que deveria limpar.

Esta abordagem oferece uma melhoria significativa sobre o método tradicional de neutralização de ácido residual. O método antigo exige a adição de grandes quantidades de produtos químicos para neutralizar o ácido, o que cria uma enorme quantidade de lama tóxica que deve ser descartada, e destrói o valor do ácido e dos metais. O novo método utiliza uma barreira física para separar os componentes, evitando a necessidade de produtos químicos extras e prevenindo a criação de lama perigosa. Ele permite que a fábrica mantenha o ácido em um ciclo fechado, usando-o repetidamente, enquanto concentra os metais valiosos para recuperação. Embora os pesquisadores tenham observado que não testaram como a membrana resistiria a muitos anos de uso contínuo, suas descobertas mostram que o processo é tecnicamente viável e eficaz para tratar esses resíduos industriais específicos. O estudo fornece um caminho claro para uma maneira mais sustentável de produzir os materiais necessários para a próxima geração de armazenamento de energia.