L'Hawaï et l'Alaska de la chimie, les lanthanides et les actinides sont les éléments qui sont toujours présentés séparément du bloc principal du tableau périodique. Bien qu'ils soient séparés des éléments plus courants, ce sont des métaux importants pour des applications telles que l'énergie nucléaire et les aimants utilisés dans les éoliennes et les voitures électriques.

Les déchets issus de ces technologies sont omniprésents et à longue durée de vie, et ils peuvent présenter des problèmes importants pour l'environnement et l'économie. Les lanthanides et les actinides sont souvent mélangés dans les déchets nucléaires, et les déchets électroniques contiennent de multiples éléments lanthanides. La séparation des métaux des déchets permet leur recyclage, réduisant le besoin d'une exploitation minière coûteuse et invasive.

Les scientifiques veulent comprendre les processus de séparation pour les rendre plus efficaces. Des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) ont utilisé les rayons X pour étudier un processus de séparation appelé extraction par solvant, et ils ont expliqué comment l'ajout de différents sels dans le processus d'extraction peut changer les lanthanides extraits des déchets. Comprendre comment améliorer les extractions de lanthanides aidera également les scientifiques à séparer les lanthanides des actinides.

"Cette recherche a fourni des informations importantes qui permettront une séparation efficace et économe en énergie, ", a déclaré Ahmet Uysal, chimiste d'Argonne. "Comprendre ce processus aidera à purifier les matériaux critiques pour les applications industrielles."

Les scientifiques commencent le processus de séparation en dissolvant le matériau dans un acide fort. Puis ils mélangent l'acide, qui contient de l'eau, avec de l'huile et laisser reposer le mélange. Comme l'huile se sépare de l'acide et de l'eau, des molécules appelées extractants transportent les métaux souhaités de l'eau à l'huile, préparer le métal pour une réutilisation.

L'objectif est de cibler des métaux spécifiques à extraire, mais comme les lanthanides et les actinides se comportent de manière très similaire, le processus doit être répété des centaines de fois pour les séparer efficacement. Pour rendre l'extraction possible, les métaux ne voyagent pas seuls, ils sont accompagnés d'eau et de sels ajoutés. Ces sels se lient aux métaux et aident à les attirer dans l'huile en travaillant avec les molécules d'extraction.

Les molécules d'extraction ressemblent à des méduses, avec une tête qui aime l'eau et une queue qui aime l'huile. Lorsque l'huile et l'eau se séparent dans le mélange, les extractants forment une interface entre les deux. Les molécules d'extraction s'enroulent ensuite autour des métaux, des sels et de l'eau pour transporter les métaux à travers la frontière.

Dans cette étude, les scientifiques ont étudié l'ajout de sels appelés nitrate et thiocyanate pour comprendre comment ils interagissent différemment avec les molécules d'extraction et les métaux. Spécifiquement, ils ont étudié le fait que le nitrate sépare les lanthanides plus légers dans l'huile, tandis que le thiocyanate sépare les lanthanides plus lourds.

"Comme les métaux deviennent plus lourds, l'efficacité baisse pour la séparation dans les mélanges de nitrates, mais augmente pour les mélanges de thiocyanates, " a déclaré Uysal. " C'est comme un interrupteur qui inverse ces tendances, et si vous exécutez les processus dos à dos, cela aide à la séparation car vous pouvez alterner l'extraction des lanthanides légers et lourds."

La raison de cette différence est une question ouverte à laquelle l'équipe d'Argonne a contribué à répondre grâce à des techniques de diffusion des rayons X et de spectroscopie.

Les scientifiques ont utilisé la ligne de lumière ID-C du secteur 12 à la source avancée de photons (APS), une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à Argonne, mener une expérience de diffusion des rayons X pour des éléments allant des lanthanides les plus légers aux plus lourds. En utilisant les rayons X pour déterminer le comportement des molécules à des échelles extrêmement petites, ils ont observé des différences dans leur organisation à la fois dans les mélanges de nitrates et de thiocyanates.

Ils ont découvert que le thiocyanate agit en perturbant la structure de l'eau à l'interface, permettant aux lanthanides plus lourds de se déplacer plus facilement dans l'huile. Nitrate, d'autre part, s'intègre bien dans la structure existante de l'eau à l'interface et provoque le regroupement, facilitant le transfert de lanthanides pour la plupart plus légers. « Ces résultats suggèrent que les lanthanides sont transportés par différents mécanismes en présence de nitrate ou de thiocyanate, " dit Uysal.

« L'utilisation de la source de photons brillants fournie par l'APS et d'une technique unique de rayons X de surface liquide était essentielle à l'étude des structures limites entre l'extractant et les métaux, " dit Wei Bu, un scientifique de la ligne de lumière ChemMatCARS (Centre de chimie et des matériaux pour les sources de rayonnement avancées) de l'APS. Les scientifiques utilisent cette ligne de lumière pour étudier les matériaux à l'échelle atomique, y compris les interfaces entre les différents liquides.

L'équipe a également utilisé des techniques de spectroscopie pour étudier les structures pendant la phase du processus où les molécules ont été extraites dans l'huile. A partir de ces données, ils ont développé un modèle du processus qui décrit les données de diffusion des rayons X de manière significativement meilleure que les modèles existants.

"Les modèles précédents nécessitaient le réglage de certains paramètres apparemment arbitraires pour s'adapter aux données, " dit Srikanth Nayak, le premier auteur de l'étude, "mais avec notre nouvelle approche, chaque paramètre a une signification physique, et cela nous aide à donner un sens aux données et à en tirer des conclusions plus utiles."

"Il est important de comprendre chaque étape de ce processus, et notre approche est unique dans la façon dont nous avons étudié les structures dans l'huile et les structures interfaciales de manière complémentaire, " a déclaré Uysal. Cela nécessite une équipe avec des formations scientifiques diverses. Par exemple, l'auteur de l'étude Kaitlin Lovering, maintenant au Langara College au Canada, est un expert en spectroscopie laser, et Nayak se spécialise dans les expériences de diffusion des rayons X. Les deux scientifiques ont joué un rôle crucial dans le succès de l'équipe, et leurs antécédents reflètent la nature multidisciplinaire de la recherche.

Un article sur le nouveau modèle du processus d'extraction, « Regroupement spécifique aux ions de complexes métal-amphiphiles dans les séparations de terres rares, " a été publié dans Nanoéchelle . Un deuxième article décrivant les structures interfaciales lors de l'extraction, « Le rôle des effets ioniques spécifiques dans le transport des ions :le cas du nitrate et du thiocyanate, " a été publié dans le Journal de chimie physique C .