Hawaii y Alaska de la química, los lantánidos y actínidos son los elementos que siempre se muestran por separado del bloque principal en la tabla periódica. Aunque se separan de los elementos más convencionales, son metales importantes para aplicaciones como la energía nuclear y los imanes utilizados en turbinas eólicas y coches eléctricos.

Los productos de desecho de estas tecnologías son omnipresentes y de larga duración, y pueden presentar problemas importantes para el medio ambiente y la economía. Los lantánidos y actínidos a menudo se mezclan en los desechos nucleares, y los desechos electrónicos contienen múltiples elementos lantánidos. Separar los metales de los residuos permite reciclarlos, reduciendo la necesidad de una minería costosa e invasiva.

Los científicos quieren comprender los procesos de separación para hacerlos más eficientes. Los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) utilizaron rayos X para estudiar un proceso de separación llamado extracción por solvente, y explicaron cómo agregar diferentes sales al proceso de extracción puede cambiar qué lantánidos se extraen de los desechos. Comprender cómo mejorar las extracciones de lantánidos también ayudará a los científicos a separar los lantánidos de los actínidos.

"Esta investigación proporcionó información importante que permitirá una separación eficaz y energéticamente eficiente, ", dijo el químico de Argonne Ahmet Uysal." Comprender este proceso ayudará con la purificación de materiales críticos para aplicaciones industriales ".

Los científicos comienzan el proceso de separación disolviendo el material en un ácido fuerte. Luego mezclan el ácido, que contiene agua, con aceite y dejar reposar la mezcla. A medida que el aceite se separa del ácido y el agua, moléculas llamadas extractantes transportan los metales deseados del agua al aceite, preparando el metal para su reutilización.

El objetivo es apuntar a metales específicos para extraer, pero dado que los lantánidos y actínidos se comportan de manera muy similar, el proceso debe repetirse cientos de veces para separarlos de manera efectiva. Para hacer posible la extracción, los metales no viajan por sí solos, están acompañados de agua y sales agregadas. Estas sales se unen a los metales y ayudan a atraerlos al aceite al trabajar junto con las moléculas extractantes.

Las moléculas extractantes parecen medusas, con una cabeza que ama el agua y una cola que ama el aceite. Cuando el aceite y el agua se separen en la mezcla, los extractantes forman una interfaz entre los dos. Las moléculas extractantes luego se envuelven alrededor de los metales, sales y agua para transportar los metales a través de la frontera.

En este estudio, los científicos investigaron la adición de sales llamadas nitrato y tiocianato para comprender cómo interactúan de manera diferente con las moléculas extractantes y los metales. Específicamente, estudiaron el hecho de que el nitrato separa los lantánidos más ligeros en el aceite, mientras que el tiocianato separa los lantánidos más pesados.

"A medida que los metales se vuelven más pesados, la eficiencia cae para la separación en mezclas de nitratos, pero aumenta para mezclas de tiocianatos, ", dijo Uysal." Es como un interruptor que invierte estas tendencias, y si ejecuta los procesos uno tras otro, ayuda con la separación porque puede alternar la extracción de los lantánidos ligeros y pesados ​​".

La razón de esta diferencia es una pregunta abierta que el equipo de Argonne ayudó a responder mediante técnicas de espectroscopia y dispersión de rayos X.

Los científicos utilizaron la línea de luz del Sector 12 ID-C en la Fuente de Fotones Avanzada (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Argonne, para realizar un experimento de dispersión de rayos X para elementos que van desde los lantánidos más ligeros hasta los más pesados. Usando los rayos X para determinar el comportamiento de las moléculas a escalas extremadamente pequeñas, observaron diferencias en su organización tanto en mezclas de nitratos como de tiocianatos.

Descubrieron que el tiocianato actúa alterando la estructura del agua en la interfaz, permitiendo que los lantánidos más pesados ​​viajen más fácilmente al aceite. Nitrato, por otra parte, encaja bien dentro de la estructura existente del agua en la interfaz y provoca la agrupación, facilitando la transferencia de lantánidos en su mayoría más ligeros. "Estos resultados sugieren que los lantánidos se transportan a través de diferentes mecanismos en presencia de nitrato o tiocianato, "dijo Uysal.

"El uso de la fuente de fotones brillantes proporcionada por el APS y una técnica única de rayos X de superficie líquida fue fundamental para el estudio de las estructuras de los límites entre el extractante y los metales, "dijo Wei Bu, un científico en la línea de luz ChemMatCARS (Centro de Química y Materiales para Fuentes de Radiación Avanzadas) en el APS. Los científicos utilizan esta línea de luz para estudiar materiales a escala atómica, incluyendo las interfaces entre diferentes líquidos.

El equipo también utilizó técnicas de espectroscopia para estudiar las estructuras durante la fase del proceso en la que las moléculas se extrajeron en el aceite. A partir de estos datos, desarrollaron un modelo del proceso que describe los datos de dispersión de rayos X significativamente mejor que los modelos existentes.

"Los modelos anteriores requerían el ajuste de ciertos parámetros aparentemente arbitrarios para ajustarse a los datos, "dijo Srikanth Nayak, el primer autor del estudio, "pero con nuestro nuevo enfoque, cada parámetro tiene un significado físico, y nos ayuda a dar sentido a los datos y sacar conclusiones más útiles de ellos ".

"Es importante comprender cada paso de este proceso, y nuestro enfoque es único en la forma en que estudiamos las estructuras en el aceite y las estructuras interfaciales de manera complementaria, ", dijo Uysal. Esto requiere un equipo con diversos antecedentes científicos. Por ejemplo, autor del estudio Kaitlin Lovering, ahora en Langara College en Canadá, es experto en espectroscopia láser, y Nayak se especializa en experimentos de dispersión de rayos X. Ambos científicos fueron una parte crucial del éxito del equipo, y sus antecedentes reflejan la naturaleza multidisciplinaria de la investigación.

Un artículo sobre el nuevo modelo del proceso de extracción, "Agrupación específica de iones de complejos metal-anfifilo en separaciones de tierras raras, "fue publicado en Nanoescala . Un segundo artículo que describe las estructuras interfaciales durante la extracción, "El papel de los efectos de iones específicos en el transporte de iones:el caso del nitrato y el tiocianato, "fue publicado en el Revista de química física C .