O Havaí e o Alasca da química, lantanídeos e actinídeos são os elementos que são sempre mostrados separadamente do bloco principal na tabela periódica. Embora estejam separados dos elementos mais convencionais, eles são metais importantes para aplicações como energia nuclear e ímãs usados ​​em turbinas eólicas e carros elétricos.

Os produtos residuais dessas tecnologias são generalizados e de longa duração, e podem apresentar problemas significativos para o meio ambiente e a economia. Lantanídeos e actinídeos são frequentemente misturados em resíduos nucleares, e o lixo eletrônico contém vários elementos de lantanídeos. Separar os metais dos resíduos permite que eles sejam reciclados, reduzindo a necessidade de mineração cara e invasiva.

Os cientistas querem entender os processos de separação para torná-los mais eficientes. Pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) usaram raios-X para estudar um processo de separação denominado extração por solvente, e explicaram como a adição de diferentes sais no processo de extração pode alterar quais lantanídeos são extraídos dos resíduos. Compreender como melhorar as extrações de lantanídeos também ajudará os cientistas a separar os lantanídeos dos actinídeos.

"Esta pesquisa forneceu informações importantes que permitirão uma separação eficaz e eficiente em termos de energia, "disse o químico Ahmet Uysal da Argonne." Compreender este processo ajudará na purificação de materiais críticos para aplicações industriais. "

Os cientistas começam o processo de separação dissolvendo o material em um ácido forte. Em seguida, eles misturam o ácido, que contém água, com óleo e deixe a mistura repousar. À medida que o óleo se separa do ácido e da água, moléculas chamadas extratores transportam os metais desejados da água para o óleo, preparando o metal para reutilização.

O objetivo é direcionar metais específicos para extrair, mas uma vez que os lantanídeos e os actinídeos se comportam de forma muito semelhante, o processo deve ser repetido centenas de vezes para separá-los efetivamente. Para tornar a extração possível, os metais não viajam por conta própria - eles são acompanhados por água e sais adicionados. Esses sais se ligam aos metais e ajudam a atraí-los para o óleo, trabalhando em conjunto com as moléculas do extrator.

Moléculas de extratores parecem águas-vivas, com uma cabeça que adora água e uma cauda que adora óleo. Quando o óleo e a água se separam na mistura, extratores formam uma interface entre os dois. As moléculas do extrator então envolvem os metais, sais e água para transportar os metais através da fronteira.

Neste estudo, os cientistas investigaram a adição de sais chamados nitrato e tiocianato para entender como eles interagem de forma diferente com as moléculas e metais extratores. Especificamente, eles estudaram o fato de que o nitrato separa os lantanídeos mais leves do óleo, enquanto o tiocianato separa os lantanídeos mais pesados.

"À medida que os metais ficam mais pesados, a eficiência cai para a separação em misturas de nitrato, mas aumenta para misturas de tiocianato, "disse Uysal." É como um interruptor que inverte essas tendências, e se você executar os processos consecutivos, isso ajuda na separação porque você pode alternar a retirada dos lantanídeos leves e pesados. "

A razão para essa diferença é uma questão em aberto que a equipe de Argonne ajudou a responder por meio de técnicas de espalhamento de raios-X e espectroscopia.

Os cientistas usaram a linha de luz Setor 12 ID-C na Fonte Avançada de Fótons (APS), um DOE Office of Science User Facility em Argonne, para conduzir um experimento de espalhamento de raios-X para elementos que variam dos lantanídeos mais leves aos mais pesados. Usando os raios-X para determinar o comportamento das moléculas em escalas extremamente pequenas, eles observaram diferenças em sua organização nas misturas de nitrato e tiocianato.

Eles descobriram que o tiocianato atua interrompendo a estrutura da água na interface, permitindo que lantanídeos mais pesados ​​viajem mais facilmente para o óleo. Nitrato, por outro lado, se encaixa bem na estrutura existente de água na interface e causa agrupamento, facilitando a transferência de principalmente lantanídeos mais leves. "Esses resultados sugerem que os lantanídeos são transportados por diferentes mecanismos na presença de nitrato ou tiocianato, "disse Uysal.

"O uso da fonte de fótons brilhante fornecida pelo APS e uma técnica única de raios-X de superfície líquida foi fundamental para o estudo das estruturas de limite entre o extratante e os metais, "disse Wei Bu, um cientista da linha de luz ChemMatCARS (Centro de Química e Materiais para Fontes Avançadas de Radiação) no APS. Os cientistas usam esta linha de luz para estudar materiais em escala atômica, incluindo as interfaces entre diferentes líquidos.

A equipe também usou técnicas de espectroscopia para estudar as estruturas durante a fase do processo em que as moléculas foram extraídas para o óleo. A partir desses dados, eles desenvolveram um modelo do processo que descreve os dados de espalhamento de raios-X significativamente melhor do que os modelos existentes.

"Os modelos anteriores exigiam o ajuste de certos parâmetros aparentemente arbitrários para ajustar os dados, "disse Srikanth Nayak, o primeiro autor do estudo, "mas com nossa nova abordagem, cada parâmetro tem um significado físico, e nos ajuda a entender os dados e a tirar conclusões mais úteis deles. "

“É importante entender cada etapa deste processo, e nossa abordagem é única na forma como estudamos as estruturas no óleo e as estruturas interfaciais de forma complementar, "disse Uysal. Isso requer uma equipe com diversas formações científicas. Por exemplo, Kaitlin Lovering, autora do estudo, agora no Langara College no Canadá, é um especialista em espectroscopia a laser, e Nayak é especialista em experimentos de espalhamento de raios-X. Ambos os cientistas foram uma parte crucial do sucesso da equipe, e suas origens refletem a natureza multidisciplinar da pesquisa.

Artigo sobre o novo modelo do processo de extração, "Agrupamento específico de íons de complexos anfifílicos de metal em separações de terras raras, "foi publicado em Nanoescala . Um segundo artigo descrevendo as estruturas interfaciais durante a extração, "O papel dos efeitos específicos de íons no transporte de íons:o caso do nitrato e do tiocianato, "foi publicado no Journal of Physical Chemistry C .