铝是世界上产量第二大的金属（仅次于钢铁），在日常生活中随处可见，比如易拉罐、铝箔包装、电子设备的电路板等，甚至火箭助推器中也有它的身影。据预测，由于需求持续攀升，2030 年全球铝产量将会提升 40% 左右。随着铝的大量生产，其对环境的影响也将进一步加剧，因为制作的完整过程中会产生多种废弃污染物。

　　为了解决这一个挑战，麻省理工学院的研究团队开发了一种新型纳米膜过滤技术，可以在生产铝的过程中减少有害废弃物产生。他们在实验室中测试了这种新型膜材料，发现它能够高效地从模拟铝厂废液中过滤出 99% 以上的铝离子。

　　通过这种特殊的过滤方法能够从工厂排出的废液中回收铝离子，然后将其重新利用，既能提高铝的产量，又能减少资源浪费，若能够大规模用于工业生产，将有利于降低环境污染。

　　“这种新型膜不仅减少了有害废物，还实现了铝的循环再利用，降低了对新开采铝矿的需求。”这项研究的领导者、麻省理工学院机械工程系教授 John Lienhard 说道，“这是一项很有潜力的技术，环保且能满足市场对铝持续不断的增加的需求。”

　　此前，麻省理工学院 John Lienhard 教授团队专注于开发海水淡化以及废污水处理技术。在探索新的应用领域时，他们注意到铝提炼过程中存在的问题：废液中含有大量未被充分的利用的金属资源，他们都以为这是一个新机会。

　　铝是从一种名为“铝土矿”的矿石中提炼出来的。首先从地表矿坑开采出富含铝的矿石，接着通过一系列化学反应分离出纯净的氧化铝粉末，然后被送到精炼厂倒入含有冰晶石（一种熔融矿物质）的电解槽中。当施加电流时冰晶石会破坏氧化铝的化学键，从而分离铝和氧原子并得到液态的纯铝，最后将铝铸造成不一样的形状并用于后续的加工。

　　在铝的提炼过程中，冰晶石发挥关键作用，它作为一种助熔剂帮助分离氧化铝中的铝。然而，跟着时间推移，冰晶石会逐渐富集钠、锂、钾等杂质离子，影响其分解氧化铝的能力。当杂质积累到某些特定的程度，就必须更换新的冰晶石来维持生产效率。同时，废弃的冰晶石也变成了一种含有残留铝和其他杂质的粘稠污染物。

　　“传统铝厂每年大约会浪费 2,800 吨铝。我们从始至终在探索提高铝生产效率的方法，发现此前业界关于如何回收利用冰晶石废物的研究还不够充分，因此我们大家都希望通过开发新技术来改善这一状况，减少资源浪费。”该论文的第一作者 Trent Lee 表示。他和团队在 MITEI Energy UROP 计划的支持下开展了此次研究工作。

　　在这项新研究中，他们的目标是开发一种特殊的膜材料用来过滤铝提炼过程中产生的冰晶石废物，并从中回收铝。

　　通常情况下，在电解铝的过程中不可避免地会有铝离子混入废物中，他们盼望新型膜材料能够选择性地捕获铝离子，同时允许其他离子（特别是钠离子）通过，因为钠在冰晶石中的积累会降低电解过程效率。

　　围绕这个目标，研究人员对传统水处理厂使用的膜做改造。这些膜通常由一层薄的聚合物材料制造成，表面密布纳米级的小孔，能够控制特定的离子和分子通过。

　　传统膜表面带有的负电荷会使它排斥其他带负电荷的离子，而吸引带正电荷的离子。铝离子和钠离子都带正电荷，铝离子带有 3 个正电荷，而钠离子只有 1 个正电荷，因此就需要一种特殊的膜来筛选它们。

　　麻省理工学院的研究团队与日本一家名为“Nitto Denko”的公司合作开发出一种新型膜材料，这种膜表面有一层带正电涂层，涂层所带的正电荷可有效地排斥铝离子，使它们被隔离在膜的一侧，同时让那些带正电荷较少的离子（比如钠离子）顺利通过。

　　“铝是所有离子中带正电荷较多的，所以大部分铝离子都会被膜阻挡下来。”Zi Hao Foo 解释说。

　　研究小组使用了模拟冰晶石废物成分的溶液来测试这种膜的性能。他们发现这种膜能捕获 99.5% 的铝离子，同时让钠和其他阳离子通过。

　　除此之外，即便在改变 pH 值的条件下（置于高酸性溶液中）这种膜也表现出了稳定的性能，意味着它可以在工业环境中应对各种恶劣条件。“许多冰晶石废物溶液具有不一样的酸度，我们得知即使在预期的恶劣条件下，这种膜也能稳定地工作。”Zi Hao Foo 表示。

　　他们在实验中测试的膜大约有一张扑克牌大小，为了后期用于大型铝厂的冰晶石废物回收处理，研究人员计划开发更大尺寸的版本，类似于海水淡化厂使用的那种膜：长条形的膜卷成螺旋状结构，废液流经这些膜进行过滤。

　　“这项研究展示了如何利用膜材料更好地促进循环经济发展。这项新技术不仅有助于回收铝，还能够大大减少有害废物的产生。”Trent Lee 表示。