Pesquisadores da Dinâmica Interfacial em Ambientes e Materiais Radioativos (IDREAM) Energy Frontier Research Center quantificaram espécies de Al3 + penta-coordenadas transientes durante a cristalização de gibbsita de géis de alumínio hidratado em soluções de hidróxido de sódio concentrado. A pesquisa mostra que os eletrólitos concentrados em solução afetam as ligações de hidrogênio, interações iônicas, e geometrias de coordenação de formas atualmente imprevisíveis.

Esses estudos mecanísticos apóiam o desenvolvimento de novos fluxogramas de processo para acelerar o processamento de resíduos radioativos em dois locais do Departamento de Energia. Avançar, os estudos podem fornecer rotas menos intensivas em energia para a produção industrial de alumínio.

A gibbsita (α-Al (OH) 3) é um importante recurso mineral para a produção industrial de alumínio. Também está presente em grandes quantidades nos tanques de resíduos radioativos de alto nível nas instalações do Departamento de Energia dos EUA no estado de Washington e na Carolina do Sul. O processamento tradicional para produção de alumínio ou tratamento de resíduos radioativos é uma atividade que consome muita energia. O processamento envolve aquecimento para facilitar a dissolução da gibbsita em soluções altamente alcalinas de eletrólitos concentrados. O aquecimento é seguido pelo resfriamento para estimular a precipitação desses sistemas quimicamente extremos.

Para tratamento de resíduos radioativos, as etapas de dissolução e precipitação são frequentemente muito lentas. Porque? Em parte, ambos os processos envolvem mudanças na geometria de coordenação do alumínio trivalente. Na fase sólida, é seis coordenadas para dar uma geometria octaédrica. Para passar para a fase de solução, o íon de alumínio deve mudar sua geometria para uma forma tetraédrica de quatro coordenadas.

Liderado por Jian Zhi Hu e Kevin Rosso, a equipe conduziu estudos de espectroscopia de ressonância magnética nuclear giratória de ângulo mágico de alto campo que sondaram as interações de íons, organização de soluto, e propriedades do solvente durante a precipitação da gibbsita. A equipe capturou a dinâmica do sistema em tempo real em função das condições experimentais, revelando detalhes mecanísticos até então desconhecidos.

O trabalho da equipe mostra que a mudança na coordenação não é uma simples transição entre as espécies tetraédrica e octaédrica. A mudança envolve um centro metálico de alumínio com coordenação penta intermediária. Avançar, essas espécies são influenciadas por mudanças sutis na organização do soluto e do solvente. Essas mudanças levam a redes de gel que às vezes podem facilitar a formação ou dissolução da fase sólida. Compreender como a coordenação do alumínio muda em ambientes extremos pode levar a eficiências na produção de alumínio e acelerar o processamento de resíduos radioativos.