Sustainable Separation of Actinides and Rare Earth Elements Using Sorbitol-Oleic Acid Derived Bio-Based Solvents: Synthesis and Extraction Performance

In der modernen Welt findet eine stille Revolution bei den Materialien statt, die unsere Technologie antreiben. Von den Magneten in Elektromotoren bis hin zu den Bildschirmen in unseren Geräten ist eine Gruppe von Elementen, die als Seltene Erden bekannt sind, unverzichtbar. Diese Elemente kommen oft vermischt in der Erdkruste vor, und da sie sich chemisch so ähnlich sind, ist es eine schwierige und unordentliche Aufgabe, sie voneinander zu trennen. Um dies zu tun, verwenden Wissenschaftler einen Prozess namens Lösungsmittelextraktion, was im Wesentlichen eine Methode ist, ein Gemisch aus Metallen mit einer speziellen Flüssigkeit zu „waschen“, die sich an bestimmte Elemente bindet und andere zurücklässt. Seit Jahrzehnten werden die für dieses Waschen verwendeten Flüssigkeiten aus Erdöl, einem fossilen Brennstoff, hergestellt. Diese traditionellen Chemikalien funktionieren gut, sind jedoch toxisch, leicht entflammbar und am Ende ihrer Lebensdauer schwierig sicher zu entsorgen, was einen schweren ökologischen Fußabdruck in genau jenen Industrien hinterlässt, die eine sauberere Zukunft aufbauen wollen.

Ein Forscherteam der Ege-Universität in der Türkei hat sich das Ziel gesetzt, dieses Problem zu lösen, indem sie eine neue Art von Waschflüssigkeit entwickelt haben, die aus der Natur stammt. Anstatt Erdöl zu verwenden, wandten sie sich Sorbit, einem Zuckeralkohol aus Früchten, und Ölsäure zu, einer gewöhnlichen Fettsäure, die in Olivenöl vorkommt. Durch die Reaktion dieser beiden natürlichen Inhaltsstoffe miteinander schufen sie ein biobasiertes Lösungsmittel, das in der Lage ist, wertvolle Metalle von radioaktiven zu trennen. Das Ziel war nicht nur, eine grünere Alternative zu finden, sondern zu sehen, ob eine Substanz aus lebensmittelechten Materialien die delikate Aufgabe erfüllen kann, Thorium und Uran – Elemente, die in der Kernenergie verwendet werden – von den Seltenen Erden, die für grüne Technologien benötigt werden, zu trennen. Die Ergebnisse zeigen, dass diese neuen Bio-Lösungsmittel zwar nicht so leistungsstark wie die alten chemischen Giganten sind, aber einen vielversprechenden, nachhaltigen Weg für eine spezifische Art der Trennung bieten, die entscheidend für die Zukunft der sauberen Energie ist.

Die Forscher begannen damit, den Zuckeralkohol und die Fettsäure in einem Glasreaktor zu mischen und die Mischung unter hohen Temperaturen zu erhitzen, um die Reaktion der beiden Komponenten zu fördern. Während die Reaktion voranschritt, überwachten sie die chemischen Veränderungen und beobachteten, wie sich die sauren Teile der Ölmoleküle in Esterbindungen verwandelten – eine Art chemische Verbindung, die der neuen Flüssigkeit ihre einzigartigen Eigenschaften verleiht. Sie erstellten zwei Versionen dieses neuen Lösungsmittels, eines mit einem etwas anderen Verhältnis der Inhaltsstoffe als das andere, und nannten sie SOA2 und SOA3. Um zu bestätigen, dass sie die neue Substanz erfolgreich hergestellt hatten, nutzten sie fortschrittliche bildgebende Verfahren, um die Molekularstruktur zu untersuchen, wobei sie klare Beweise für die neuen Esterbindungen fanden, die im ursprüngigen Zucker oder Öl nicht vorhanden waren. Sie maßen auch, wie sauer die Flüssigkeit war, und stellten fest, dass die Acidität mit Abschluss der Reaktion deutlich sank, was die erfolgreiche Transformation signalisierte.

Sobald die neuen Lösungsmittel bereit waren, unterzog das Team sie einer Testreihe von Experimenten, die darauf ausgelegt waren, zu sehen, wie gut sie spezifische Metalle aus einer wasserbasierten Lösung extrahieren können. Sie erstellten ein Gemisch, das Thorium, Uran und mehrere Seltene Erden enthielt, alle in der gleichen Konzentration, und mischten es mit ihren neuen Bio-Lösungsmitteln. Sie passten die Acidität des Wassers und die Zeit, die die Flüssigkeiten zum Mischen erhielten, sorgfältig an und beobachteten, welche Metalle in das neue Lösungsmittel übergingen und welche zurückblieben. Die Ergebnisse waren aufschlussreich. Bei niedrigeren Aciditätswerten hatten die neuen Lösungsmittel Schwierigkeiten, die Metalle zu greifen, da die Wasserstoffionen im Wasser zu stark konkurrierten. Sobald sie jedoch den pH-Wert auf ein moderates Niveau hoben, begannen die Lösungsmittel effektiv zu arbeiten.

Die bemerkenswerteste Erkenntnis war die Fähigkeit dieser Bio-Lösungsmittel, zwischen den radioaktiven Actinoiden und den Seltenen Erden zu unterscheiden. Wenn die Bedingungen optimiert waren, konnten die neuen Lösungsmittel Thorium mit hoher Effizienz aus der Mischung ziehen und die Seltenen Erden im Wasser zurücklassen. In einem der besten Fälle war das neue Lösungsmittel in der Lage, Thorium von den Seltenen Erden mit einem Selektivitätsfaktor von über 1.800 zu trennen, was bedeutet, dass es weitaus wahrscheinlicher war, dass es das Thorium als die Seltenen Erden ergriff. Dies ist eine bedeutende Errungenschaft, da diese beiden Gruppen von Elementen berüchtigt dafür sind, kaum voneinander unterscheidbar zu sein. Das Lösungsmittel zeigte auch eine starke Präferenz für Uran gegenüber den Seltenen Erden, war jedoch weniger effektiv bei der Trennung von Uran von Thorium.

Um zu verstehen, wie sich ihre neuen Lösungsmittel mit dem Industriestandard verglichen, stellten die Forscher sie zwei bekannten chemischen Extraktionsmitteln gegenüber, Cyanex und D2EHPA, die aus Erdöl hergestellt werden. Der Vergleich zeigte einen klaren Kompromiss. Die traditionellen, auf Erdöl basierenden Chemikalien waren viel aggressiver; sie griffen fast jedes Metall in der Mischung an, ungeachtet des Typs, und taten dies sehr schnell. Diese hohe Kapazität ist für einige industrielle Aufgaben nützlich, macht es aber schwierig, ein Metall von einem anderen zu trennen. Die neuen biobasierten Lösungsmittel hingegen waren selektiver. Sie griffen insgesamt nicht so viele Metalle an, waren aber viel besser darin, die richtigen auszuwählen. Sie wirkten eher wie ein sanfter Filter, der die radioaktiven Elemente passieren ließ, während er die Seltenen Erden zurückhielt, oder umgekehrt, je nach den Bedingungen.

Die Forscher schlugen vor, dass dieser Unterschied auf die Art und Weise zurückzuführen ist, wie die Chemikalien mit den Metallen interagieren. Die traditionellen Erdöl-Chemikalien wirken wie starke Magnete, die feste, ionische Bindungen mit den Metallionen eingehen. Dieser starke Griff ermöglicht es ihnen, fast alles einzufangen, macht es aber schwierig, wählerisch zu sein. Die neuen biobasierten Lösungsmittel arbeiten hingegen durch einen sanfteren Mechanismus. Sie umgeben die Metallionen und ersetzen die Wassermoleküle, die normalerweise an ihnen haften, ein Prozess, der durch schwächere Kräfte angetrieben wird. Da dieser Griff sanfter ist, ist das Lösungsmittel weniger wahrscheinlich in der Lage, Metalle einzufangen, die fest an Wasser gebunden sind, was auf die Seltenen Erden zutrifft. Dieser subtile Unterschied in der Art und Weise, wie sie die Metalle festhalten, verleiht dem Bio-Lösungsmittel seine Fähigkeit zur Selektivität, auch wenn dies bedeutet, dass es nicht so viel Metall auf einmal halten kann.

Als das Team untersuchte, wie sich ihre neuen Lösungsmittel im Vergleich zu anderen biobasierten oder neutralen Lösungsmitteln aus der wissenschaftlichen Literatur schlagen, war die Leistung wettbewerbsfähig. Die von ihnen erreichten Trennfaktoren waren vergleichbar mit anderen fortschrittlichen, nicht-petrochemischen Optionen, was darauf hindeutet, dass diese Zucker- und Öl-Derivate ein lebensfähiger Kandidat auf diesem Gebiet sind. Die Studie hob jedoch auch eine Einschränkung hervor. Während die neuen Lösungsmittel exzellent in ihrer Selektivität waren, war ihre Gesamtkapazität, Metall zu halten, geringer als die der aggressiven erdölbasierten Chemikalien. Dies bedeutet, dass für die industrielle Großanwendung möglicherweise mehr des neuen Lösungsmittels benötigt wird, um die gleiche Menge Material zu verarbeiten, oder dass der Prozess angepasst werden muss, um konzentrierte Lösungen anders zu handhaben.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass diese Sorbit-Oleinsäure-Lösungsmittel zwar kein perfekter Ersatz für jeden industriellen Bedarf sind, aber einen bedeutenden Schritt in Richtung einer nachhaltigen Metallverarbeitung darstellen. Sie bieten einen Weg, kritische Materialien zu trennen, ohne auf fossile Brennstoffe angewiesen zu sein und ohne die gleiche Menge an toxischen Abfällen zu erzeugen. Die Forscher schlagen vor, dass die Zukunft dieser Technologie darin liegt, diese Bio-Lösungsmittel zu verfeinern, um ihre Kapazität zu erhöhen, ohne ihre Selektivität zu verlieren. Ein möglicher Weg nach vorn ist das Design von Polymer-Versionen dieser Lösungsmittel, die die sanfte, selektive Natur des Bio-Materials mit stärkeren Bindungsgruppen kombinieren. Bis dahin beweist diese Arbeit, dass es möglich ist, hochleistungsfähige Trennwerkzeuge aus erneuerbaren Ressourcen zu schaffen, die eine sauberere Alternative für die Industrien bieten, die unsere moderne Welt antreiben.