Het Hawaii en Alaska van de chemie, lanthaniden en actiniden zijn de elementen die altijd afzonderlijk van het hoofdblok op het periodiek systeem worden weergegeven. Hoewel ze zijn afgesplitst van de meer mainstream elementen, het zijn belangrijke metalen voor toepassingen zoals kernenergie en magneten die worden gebruikt in windturbines en elektrische auto's.

Afvalproducten van deze technologieën zijn alomtegenwoordig en hebben een lange levensduur, en ze kunnen aanzienlijke problemen opleveren voor het milieu en de economie. Lanthaniden en actiniden worden vaak met elkaar vermengd in kernafval, en elektronisch afval bevat meerdere lanthanide-elementen. Door de metalen van het afval te scheiden, kunnen ze worden gerecycled, het verminderen van de behoefte aan dure en invasieve mijnbouw.

Wetenschappers willen scheidingsprocessen begrijpen om ze efficiënter te maken. Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) gebruikten röntgenstralen om een ​​scheidingsproces te bestuderen dat oplosmiddelextractie wordt genoemd. en ze legden uit hoe het toevoegen van verschillende zouten aan het extractieproces kan veranderen welke lanthaniden uit het afval worden gewonnen. Begrijpen hoe lanthanide-extracties kunnen worden verbeterd, zal wetenschappers ook helpen om lanthaniden van actiniden te scheiden.

"Dit onderzoek heeft belangrijke inzichten opgeleverd die een effectieve en energiezuinige scheiding mogelijk maken, "Zei Argonne-chemicus Ahmet Uysal. "Het begrijpen van dit proces zal helpen bij de zuivering van kritieke materialen voor industriële toepassingen."

Wetenschappers beginnen het scheidingsproces door het materiaal op te lossen in een sterk zuur. Dan mengen ze het zuur, die water bevat, met olie en laat het mengsel bezinken. Terwijl de olie zich scheidt van het zuur en het water, moleculen genaamd extractanten brengen de gewenste metalen van het water naar de olie, het metaal klaarmaken voor hergebruik.

Het doel is om specifieke metalen te extraheren, maar aangezien lanthaniden en actiniden zich zeer gelijkaardig gedragen, het proces moet honderden keren worden herhaald om ze effectief te scheiden. Om extractie mogelijk te maken, de metalen reizen niet alleen - ze gaan vergezeld van water en toegevoegde zouten. Deze zouten binden zich aan de metalen en helpen ze in de olie te trekken door samen te werken met de extractiemoleculen.

Extractiemoleculen zien eruit als kwallen, met een kop die van water houdt en een staart die van olie houdt. Wanneer olie en water scheiden in het mengsel, extractanten vormen een interface tussen de twee. De extractiemoleculen wikkelen zich vervolgens om de metalen, zouten en water om de metalen over de grens te transporteren.

In dit onderzoek, de wetenschappers onderzochten de toevoeging van zouten, nitraat en thiocyanaat genaamd, om te begrijpen hoe ze anders interageren met extractiemoleculen en metalen. specifiek, ze bestudeerden het feit dat nitraat lichtere lanthaniden in de olie scheidt, terwijl thiocyanaat zwaardere lanthaniden scheidt.

"Naarmate de metalen zwaarder worden, de efficiëntie daalt voor scheiding in nitraatmengsels, maar verhogingen voor thiocyanaatmengsels, "zei Uysal. "Het is als een schakelaar die deze trends omkeert, en als u de processen rug aan rug uitvoert, het helpt bij het scheiden omdat je afwisselend de lichte en zware lanthaniden kunt verwijderen."

De reden voor dit verschil is een open vraag die het Argonne-team heeft helpen beantwoorden door middel van röntgenverstrooiing en spectroscopietechnieken.

De wetenschappers gebruikten de Sector 12 ID-C-bundellijn bij de Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science User Facility in Argonne, om een ​​röntgenverstrooiingsexperiment uit te voeren voor elementen variërend van de lichtste tot de zwaarste lanthaniden. Met behulp van de röntgenstralen het gedrag van de moleculen op extreem kleine schaal bepalen, ze zagen verschillen in hun organisatie in zowel nitraat- als thiocyanaatmengsels.

Ze ontdekten dat thiocyanaat werkt door de waterstructuur aan het grensvlak te verstoren, waardoor zwaardere lanthaniden gemakkelijker in de olie kunnen komen. Nitraat, anderzijds, past goed binnen de bestaande structuur van water op het grensvlak en veroorzaakt clustering, het vergemakkelijken van de overdracht van meestal lichtere lanthaniden. "Deze resultaten suggereren dat lanthaniden door verschillende mechanismen worden getransporteerd in aanwezigheid van nitraat of thiocyanaat, ' zei Uysal.

"Het gebruik van de briljante fotonenbron geleverd door de APS en een unieke röntgentechniek met vloeibaar oppervlak was van cruciaal belang voor de studie van grensstructuren tussen het extractiemiddel en metalen, " zei WeiBu, een wetenschapper bij de ChemMatCARS (Chemistry and Materials Center for Advanced Radiation Sources) bundellijn bij de APS. Wetenschappers gebruiken deze bundellijn om materialen op atomaire schaal te bestuderen, inclusief de interfaces tussen verschillende vloeistoffen.

Het team gebruikte ook spectroscopietechnieken om de structuren te bestuderen tijdens de fase van het proces waarin de moleculen in de olie zijn geëxtraheerd. Uit deze gegevens, ze ontwikkelden een model van het proces dat de röntgenverstrooiingsgegevens aanzienlijk beter beschrijft dan bestaande modellen.

"Vorige modellen vereisten het afstemmen van bepaalde schijnbaar willekeurige parameters om in de gegevens te passen, " zei Srikanth Nayak, de eerste auteur van het onderzoek, "maar met onze nieuwe aanpak, elke parameter heeft een fysieke betekenis, en het helpt ons om de gegevens te begrijpen en er bruikbare conclusies uit te trekken."

"Het is belangrijk om elke stap in dit proces te begrijpen, en onze aanpak is uniek in de manier waarop we de structuren in de olie en de grensvlakstructuren op een complementaire manier hebben bestudeerd, ", aldus Uysal. Dit vraagt ​​om een ​​team met diverse wetenschappelijke achtergronden. studie auteur Kaitlin Lovering, nu aan het Langara College in Canada, is een expert in laserspectroscopie, en Nayak is gespecialiseerd in experimenten met röntgenverstrooiing. Beide wetenschappers waren een cruciaal onderdeel van het succes van het team, en hun achtergronden weerspiegelen het multidisciplinaire karakter van het onderzoek.

Een paper over het nieuwe model van het extractieproces, "Ion-specifieke clustering van metaal-amfifiele complexen in zeldzame aardscheidingen, " werd gepubliceerd in nanoschaal . Een tweede artikel dat de grensvlakstructuren beschrijft tijdens extractie, "De rol van specifieke ioneneffecten in ionentransport:het geval van nitraat en thiocyanaat, " werd gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry C .