Realtime metingen vastgelegd door onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy bieden ontbrekend inzicht in chemische scheidingen om kobalt, een kritische grondstof die wordt gebruikt om batterijen en magneten voor moderne technologieën te maken.

Resultaten gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces, volg de dynamiek van moleculen die zijn ontworpen om kobalt te grijpen uit oplossingen die een mengsel van vergelijkbare soorten bevatten.

"Het begrijpen van de moleculaire gebeurtenissen die het mogelijk maken om elementen te scheiden, is de sleutel tot het optimaliseren of creëren van nieuwe, op maat gemaakte benaderingen voor brede gebieden van materiaalterugwinning, " zei Ben Doughty van ORNL's Chemical Sciences Division.

De studie onderzoekt de fundamentele chemie die ten grondslag ligt aan oplosmiddelextractie, een methode om elementen te scheiden met behulp van twee vloeistoffen die niet in elkaar oplossen, namelijk olie en water.

Wanneer geagiteerd, olie-en-wateroplossingen zullen zichzelf scheiden in verschillende lagen. Het fenomeen kan worden gebruikt om gerichte materialen opgelost in de ene vloeibare fase naar de andere over te brengen, waardoor specifieke elementen zoals kobalt kunnen worden gescheiden van al het andere in de mix.

"Het probleem is dat je moleculen nodig hebt op het grensvlak tussen deze vloeistoflagen die klaar zijn om selectief te binden met de materialen die je wilt extraheren, " zei Doughty. "Maar de complexe chemie die aan de oppervlakte plaatsvindt, is niet goed begrepen."

Inzicht in de chemische reacties die kobalt en andere scheidingen mogelijk maken, is onderzoekers decennialang ontgaan, vanwege de uitdagingen van het onderzoeken van het vloeistof-vloeistofgrensvlak waar olie en water elkaar ontmoeten. Het moleculair dunne oppervlak is verwant aan een naald in een hooiberg, de neiging om te worden verduisterd door de bulkoplossing wanneer traditionele spectroscopische methoden worden gebruikt. Toevoegen aan de moeilijkheid zijn concurrerende tijdschalen van activiteit, variërend van femtoseconden - een quadriljoenste van een seconde - tot minuten, die conventionele statische metingen niet vastleggen.

"Deze interface is in wezen de poortwachter tussen olie- en waterlagen, waar chemische bindingen die extracties vergemakkelijken worden gemaakt of verbroken. Om het scheidingsproces te verfijnen, u moet in realtime begrijpen wat er op deze interface gebeurt, ' zei Doughty.

ORNL is een van de weinige groepen die gespecialiseerd is in technieken om een ​​functionerend vloeistof-vloeistof grensvlak te onderzoeken.

Voortbouwend op eerder werk over polymeren, het team keek naar het ligand di-(2-ethylhexyl) fosforzuur, of DEHPA, een industriestandaard extractiemiddel dat selectief bindt met kobaltionen over vergelijkbare metalen zoals nikkel die vaak van nature kobalt in oplossing vergezellen.

DEHPA opgelost in olie werd geïntroduceerd in oplossingen op waterbasis met en zonder kobalt en onderzocht met behulp van vibrationele somfrequentiegeneratie, een ultrasnelle gepulseerde lasertechniek waarmee onderzoekers konden ingaan op reacties die plaatsvinden op het vloeistof-vloeistofgrensvlak.

Wat deze techniek onderscheidt van andere experimentele methoden, is de mogelijkheid om kinetiek op het grensvlak te volgen, of de veranderingen die plaatsvinden aan het oppervlak tijdens een chemische reactie.

"Oplosmiddelextractie is ontworpen om binnen specifieke omstandigheden voor een bepaald doel te werken, en pH is een algemeen aangepaste variabele. Dus, ons experiment was opgezet om de invloed van pH-bereiken op DEHPA te observeren en te begrijpen wat aanleiding geeft tot de goede plek voor kobaltextractie, ' zei Doughty.

Het op olie gebaseerde ligand interageert met water om aggregaten te vormen, of groepen moleculen die een belangrijke rol spelen bij extracties. Het is hun taak om kobalt te binden en te transporteren, maar ze moeten de juiste grootte en structuur hebben om effectief te kunnen werken. Het team ontdekte dat waterstofbruggen de rangschikking van deze aggregaten beïnvloeden en gevoelig zijn voor pH-veranderingen.

"Onze bevindingen benadrukken de essentiële rol die waterstofbinding speelt bij het ontwikkelen van nieuwe extractiemethodologieën, "zei Doughty. "Bovendien, we hebben vastgesteld dat de pH van de bulkoplossing de waterstofbinding beïnvloedt en mogelijk kan worden aangepast om de vloeistof-vloeistofinterface af te stemmen voor topprestaties."

Het begrijpen van de ontwerpregels voor extractie opent mogelijkheden voor het verminderen van de energie- en milieukosten van de verwerking van kobalt en, beurtelings, het veiligstellen van ethisch verantwoorde toeleveringsketens.

Kobaltwinning is slechts één voorbeeld van hoe fundamenteel inzicht in chemische scheidingen nuttig kan zijn. Geïnformeerde strategieën zouden kunnen worden toegepast op brede gebieden van de terugwinning van kritieke materialen en de opruiming van nucleair afval, waar methoden voor extractie met oplosmiddelen op grote schaal worden toegepast.

Het tijdschriftartikel is gepubliceerd als "Hydrogen-Bond-Driven Chemical Separations:Elucidating the Interfacial Steps of Self-Assembly in Solvent Extraction."