Les mesures en temps réel capturées par des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie fournissent des informations manquantes sur les séparations chimiques pour récupérer le cobalt, une matière première essentielle utilisée pour fabriquer des batteries et des aimants pour les technologies modernes.

Résultats publiés dans ACS Matériaux Appliqués et Interfaces, suivre la dynamique des molécules conçues pour extraire le cobalt de solutions contenant un mélange d'espèces similaires.

« La compréhension des événements moléculaires qui permettent de séparer les éléments est essentielle pour optimiser ou créer de nouveaux, des approches sur mesure pour de larges domaines de récupération de matériaux, " a déclaré Ben Doughty de la division des sciences chimiques de l'ORNL.

L'étude examine la chimie fondamentale sous-jacente à l'extraction par solvant, un procédé de séparation d'éléments utilisant deux liquides qui ne se dissolvent pas l'un dans l'autre, à savoir l'huile et l'eau.

Lorsqu'il est agité, les solutions d'huile et d'eau s'auto-sépareront en couches distinctes. Le phénomène peut être utilisé pour transférer des matériaux ciblés dissous dans une phase liquide à une autre, permettant à des éléments spécifiques comme le cobalt d'être séparés de tout le reste dans le mélange.

"Le hic, c'est que vous devez avoir des molécules à l'interface entre ces couches liquides qui sont prêtes à se lier sélectivement aux matériaux que vous souhaitez extraire, " a déclaré Doughty. "Mais la chimie complexe qui se produit à la surface n'a pas été bien comprise."

Un aperçu des réactions chimiques qui permettent le cobalt et d'autres séparations a échappé aux chercheurs pendant des décennies, en raison des défis de sonder l'interface liquide-liquide où l'huile et l'eau se rencontrent. La surface moléculairement mince est semblable à une aiguille dans une botte de foin, tendance à être masquée par la solution en vrac lorsque des méthodes spectroscopiques traditionnelles sont utilisées. À la difficulté s'ajoutent des échelles de temps d'activité concurrentes, allant de femtosecondes - un quadrillionième de seconde - à des minutes, que les mesures statiques conventionnelles ne capturent pas.

"Cette interface est essentiellement le gardien entre les couches de pétrole et d'eau, où les liaisons chimiques qui facilitent les extractions sont faites ou rompues. Pour affiner le processus de séparation, vous devez comprendre ce qui se passe sur cette interface en temps réel, " dit Doughty.

L'ORNL est l'un des rares groupes spécialisés dans les techniques permettant de sonder une interface liquide-liquide fonctionnelle.

S'appuyant sur des travaux antérieurs sur les polymères, l'équipe s'est penchée sur le ligand acide di-(2-éthylhexyl) phosphorique, ou DEHPA, un extractant standard de l'industrie qui se lie sélectivement aux ions cobalt sur des métaux similaires tels que le nickel qui accompagnent souvent naturellement le cobalt en solution.

Le DEHPA dissous dans l'huile a été introduit dans des solutions à base d'eau avec et sans cobalt et sondé à l'aide de la génération de fréquence de somme vibratoire, une technique laser pulsée ultrarapide qui a permis aux chercheurs de se concentrer sur les réactions se déroulant à l'interface liquide-liquide.

Ce qui distingue cette technique des autres méthodes expérimentales est la capacité de suivre la cinétique à l'interface, ou les changements qui se produisent à la surface au cours d'une réaction chimique.

"L'extraction par solvant est conçue pour fonctionner dans des conditions spécifiques pour une cible donnée, et le pH est une variable couramment ajustée. Donc, notre expérience a été mise en place pour observer l'influence des plages de pH sur le DEHPA et comprendre ce qui donne lieu au sweet spot pour l'extraction du cobalt, " dit Doughty.

Le ligand à base d'huile interagit avec l'eau pour former des agrégats, ou des groupes de molécules qui jouent un rôle important dans les extractions. Leur travail consiste à lier et transporter le cobalt, mais ils doivent être de la bonne taille et de la bonne structure pour fonctionner efficacement. L'équipe a découvert que les liaisons hydrogène influencent la disposition de ces agrégats et sont sensibles aux changements de pH.

"Nos résultats mettent en évidence le rôle essentiel que joue la liaison hydrogène dans le développement de nouvelles méthodologies d'extraction, " dit Doughty. " De plus, nous avons observé que le pH de la solution en vrac a un impact sur la liaison hydrogène et pourrait potentiellement être ajusté pour régler l'interface liquide-liquide pour des performances optimales."

La compréhension des règles de conception pour l'extraction ouvre des voies pour réduire les coûts énergétiques et environnementaux du traitement du cobalt et, à son tour, la sécurisation des chaînes d'approvisionnement éthiques.

La récupération du cobalt n'est qu'un exemple de la façon dont une connaissance fondamentale des séparations chimiques pourrait être bénéfique. Des stratégies éclairées pourraient être appliquées à de vastes domaines de récupération de matières critiques et de nettoyage des déchets nucléaires où les méthodes d'extraction par solvant sont largement utilisées.

L'article de journal est publié sous le titre "Hydrogen-Bond-Driven Chemical Separations:Elucidating the Interfacial Steps of Self-Assembly in Solvent Extraction".