Medições em tempo real capturadas por pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia fornecem informações ausentes sobre separações químicas para recuperar o cobalto, uma matéria-prima crítica usada para fazer baterias e ímãs para tecnologias modernas.

Resultados publicados em Materiais e interfaces aplicados da ACS, rastrear a dinâmica de moléculas projetadas para capturar cobalto de soluções contendo uma mistura de espécies semelhantes.

"Compreender os eventos moleculares que tornam possível separar os elementos é a chave para otimizar ou criar novos, abordagens personalizadas para amplas áreas de recuperação de materiais, "disse Ben Doughty da Divisão de Ciências Químicas do ORNL.

O estudo investiga a química fundamental subjacente à extração de solvente, um método de separação de elementos usando dois líquidos que não se dissolvem um no outro, ou seja, óleo e água.

Quando agitado, as soluções de óleo e água se auto-separarão em camadas distintas. O fenômeno pode ser usado para transferir materiais direcionados dissolvidos em uma fase líquida para outra, permitindo que elementos específicos como o cobalto sejam separados de tudo o mais na mistura.

"O problema é que você precisa ter moléculas na interface entre essas camadas líquidas que estão prontas para se ligar seletivamente aos materiais que você deseja extrair, "disse Doughty." Mas a química complexa que acontece na superfície não foi bem compreendida. "

A compreensão das reações químicas que permitem o cobalto e outras separações iludiu os pesquisadores por décadas, devido aos desafios de sondar a interface líquido-líquido onde óleo e água se encontram. A superfície molecularmente fina é semelhante a uma agulha em um palheiro, tendendo a ser obscurecido pela solução em massa quando métodos espectroscópicos tradicionais são usados. Somando-se à dificuldade estão as escalas de tempo de atividade concorrentes, variando de femtossegundos - um quatrilionésimo de segundo - a minutos, que as medições estáticas convencionais não capturam.

"Esta interface é essencialmente o guardião entre as camadas de óleo e água, onde ligações químicas que facilitam as extrações são feitas ou quebradas. Para ajustar o processo de separação, você precisa entender o que está acontecendo nesta interface em tempo real, "Doughty disse.

ORNL é um dos poucos grupos especializados em técnicas para sondar uma interface líquido-líquido em funcionamento.

Construindo a partir de trabalhos anteriores em polímeros, a equipe analisou o ligante di- (2-etilhexil) ácido fosfórico, ou DEHPA, um extratante padrão da indústria que se liga seletivamente aos íons de cobalto sobre metais semelhantes, como o níquel, que geralmente acompanha o cobalto em solução.

DEHPA dissolvido em óleo foi introduzido em soluções à base de água com e sem cobalto e sondado usando geração de frequência de soma vibracional, uma técnica ultrarrápida de laser pulsado que permitiu aos pesquisadores observar as reações que ocorrem na interface líquido-líquido.

O que diferencia esta técnica de outros métodos experimentais é a capacidade de rastrear a cinética na interface, ou as mudanças que ocorrem na superfície durante uma reação química.

"A extração de solvente é projetada para funcionar dentro de condições específicas para um determinado alvo, e o pH é uma variável comumente ajustada. Então, nosso experimento foi montado para observar a influência das faixas de pH no DEHPA e entender o que dá origem ao ponto ideal para a extração de cobalto, "Doughty disse.

O ligante à base de óleo interage com a água para formar agregados, ou grupos de moléculas que desempenham um papel importante nas extrações. Seu trabalho é ligar e transportar cobalto, mas precisam ter o tamanho e a estrutura corretos para funcionar de maneira eficaz. A equipe descobriu que as ligações de hidrogênio influenciam o arranjo desses agregados e são sensíveis às mudanças de pH.

"Nossas descobertas destacam o papel essencial da ligação de hidrogênio no desenvolvimento de novas metodologias de extração, "disse Doughty." Além disso, observamos que o pH da solução em massa impacta a ligação de hidrogênio e pode ser potencialmente ajustado para ajustar a interface líquido-líquido para desempenho máximo. "

Compreender as regras de projeto para extração abre caminhos para reduzir os custos de energia e ambientais do processamento de cobalto e, por sua vez, protegendo cadeias de suprimentos de origem ética.

A recuperação do cobalto é apenas um exemplo de como uma visão fundamental das separações químicas pode ser benéfica. Estratégias informadas podem ser aplicadas a áreas amplas de recuperação de materiais críticos e limpeza de resíduos nucleares, onde os métodos de extração por solvente são amplamente empregados.

O artigo do jornal é publicado como "Separações Químicas Conduzidas por Ligação de Hidrogênio:Elucidando as Etapas Interfaciais de Auto-montagem na Extração com Solvente".