Las mediciones en tiempo real capturadas por investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía brindan información que falta sobre las separaciones químicas para recuperar el cobalto. una materia prima fundamental que se utiliza para fabricar baterías e imanes para tecnologías modernas.

Resultados publicados en Materiales e interfaces aplicados de ACS, rastrear la dinámica de moléculas diseñadas para tomar cobalto de soluciones que contienen una mezcla de especies similares.

"Comprender los eventos moleculares que hacen posible la separación de elementos es clave para optimizar o crear nuevos enfoques personalizados para amplias áreas de recuperación de materiales, ", dijo Ben Doughty de la División de Ciencias Químicas de ORNL.

El estudio investiga la química fundamental que subyace a la extracción por solvente, un método de separación de elementos utilizando dos líquidos que no se disuelven entre sí, a saber, aceite y agua.

Cuando está agitado, Las soluciones de aceite y agua se auto-separarán en capas distintas. El fenómeno se puede utilizar para transferir materiales específicos disueltos en una fase líquida a otra, permitiendo que elementos específicos como el cobalto se separen de todo lo demás en la mezcla.

"El problema es que necesita tener moléculas en la interfaz entre estas capas líquidas que estén preparadas para unirse selectivamente con los materiales que desea extraer, ", dijo Doughty." Pero la compleja química que ocurre en la superficie no se ha entendido bien ".

La comprensión de las reacciones químicas que permiten el cobalto y otras separaciones ha eludido a los investigadores durante décadas. debido a los desafíos de sondear la interfaz líquido-líquido donde se encuentran el aceite y el agua. La superficie molecularmente delgada es similar a una aguja en un pajar, tiende a oscurecerse por la solución a granel cuando se utilizan métodos espectroscópicos tradicionales. A la dificultad se añaden escalas de tiempo de actividad en competencia, que van desde femtosegundos (una billonésima parte de un segundo) hasta minutos, que las mediciones estáticas convencionales no capturan.

"Esta interfaz es esencialmente el guardián entre las capas de agua y petróleo, donde se forman o rompen enlaces químicos que facilitan las extracciones. Para afinar el proceso de separación, debe comprender lo que sucede en esta interfaz en tiempo real, "Dijo Doughty.

ORNL es uno de los pocos grupos que se especializan en técnicas para sondear una interfaz líquido-líquido en funcionamiento.

Partiendo de trabajos anteriores sobre polímeros, el equipo analizó el ligando ácido di- (2-etilhexil) fosfórico, o DEHPA, un extractante estándar de la industria que se une selectivamente con iones de cobalto sobre metales similares como el níquel que a menudo acompañan naturalmente al cobalto en solución.

DEHPA disuelto en aceite se introdujo en soluciones a base de agua con y sin cobalto y se probó utilizando la generación de frecuencia de suma vibratoria, una técnica de láser pulsado ultrarrápido que permitió a los investigadores concentrarse en las reacciones que tienen lugar en la interfaz líquido-líquido.

Lo que distingue a esta técnica de otros métodos experimentales es la capacidad de realizar un seguimiento de la cinética en la interfaz, o los cambios que tienen lugar en la superficie durante una reacción química.

"La extracción con solvente está diseñada para funcionar en condiciones específicas para un objetivo determinado, y el pH es una variable comúnmente ajustada. Entonces, Nuestro experimento se estableció para observar la influencia de los rangos de pH en DEHPA y comprender qué da lugar al punto óptimo para la extracción de cobalto. "Dijo Doughty.

El ligando a base de aceite interactúa con el agua para formar agregados, o grupos de moléculas que juegan un papel importante en las extracciones. Su trabajo es atar y transportar cobalto, pero deben tener el tamaño y la estructura adecuados para que funcionen con eficacia. El equipo descubrió que los enlaces de hidrógeno influyen en la disposición de estos agregados y son sensibles a los cambios de pH.

"Nuestros hallazgos destacan el papel esencial que juega el enlace de hidrógeno en el desarrollo de nuevas metodologías de extracción, "dijo Doughty." Además, observamos que el pH de la solución a granel afecta el enlace de hidrógeno y podría potencialmente ajustarse para ajustar la interfaz líquido-líquido para un rendimiento máximo ".

Comprender las reglas de diseño para la extracción abre vías para reducir los costos energéticos y ambientales del procesamiento de cobalto y, Sucesivamente, asegurar cadenas de suministro de origen ético.

La recuperación de cobalto es solo un ejemplo de cómo podría ser beneficioso el conocimiento fundamental de las separaciones químicas. Se podrían aplicar estrategias informadas a áreas amplias de recuperación de materiales críticos y limpieza de desechos nucleares donde los métodos de extracción por solventes se emplean ampliamente.

El artículo de la revista se publica como "Separaciones químicas impulsadas por enlaces de hidrógeno:aclarando los pasos interfaciales del autoensamblaje en la extracción con solvente".