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Comparison of the effectiveness of various extraction agents for separating europium into ionic liquids

Este estudio evalúa la efectividad de diversos agentes de extracción en la separación del europio, un representante de los lantánidos, de residuos radiactivos líquidos hacia líquidos iónicos como una alternativa prometedora a los disolventes orgánicos convencionales.

Autores originales: Daria Matějková, Kateřina Čubová, Miroslava Semelová

Publicado 2026-08-07

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CC BY 4.0

Autores originales: Daria Matějková, Kateřina Čubová, Miroslava Semelová

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que estás tratando de limpiar una cocina muy desordenada y radiactiva. En el mundo de la energía nuclear, cuando los reactores funcionan o se desmontan equipos viejos, dejan atrás "desechos radiactivos líquidos". Esto no es solo agua sucia; es una sopa compleja que contiene átomos peligrosos llamados radionúclidos, mezclados con ácidos y otros productos químicos. El objetivo de los científicos es pescar átomos específicos, útiles o peligrosos, de esta sopa para que puedan ser reutilizados o almacenados de forma segura, dejando atrás un volumen de desecho mucho más pequeño y limpio.

Para hacer esto, los científicos suelen utilizar una técnica llamada "extracción líquido-líquido". Piensa en esto como intentar separar el aceite y el vinagre. Tienes tu agua desordenada (la fase acuosa) y la agitas con un aceite especial (la fase orgánica) que ama atrapar átomos específicos pero odia el agua. Por lo general, este "aceite" es un solvente químico estándar como el cloroformo. Sin embargo, estos solventes tradicionales pueden ser olorosos, inflamables y perjudiciales para el medio ambiente. Entra en escena el "Líquido Iónico". Puedes pensar en un líquido iónico como una sal que se ha derretido en un líquido a temperatura ambiente. No se evapora como los solventes normales, es resistente y los científicos pueden "ajustar" su química como un robot personalizado para atrapar exactamente lo que necesitan. La gran pregunta es: ¿funcionan estos nuevos y sofisticados líquidos iónicos mejor que los solventes de la vieja escuela para atrapar átomos específicos?

Este artículo profundiza en esa pregunta centrándose en un átomo específico: el Europio. El Europio es miembro de una familia de elementos llamados lantánidos, que son notoriamente difíciles de separar entre sí porque son gemelos químicos. Los investigadores trataron al Europio como un sustituto de todos estos complicados gemelos. Prepararon una serie de "concursos de captura" para ver qué "red" química (llamada extractante) funcionaba mejor en dos "estanques" diferentes: el estanque tradicional de cloroformo y el nuevo estanque de líquido iónico. Probaron cinco redes diferentes: TBP, TPPO, TOPO, CMPO y TODGA. También variaron la acidez del agua, que iba desde muy agria (ácido nítrico) hasta neutra e incluso ligeramente jabonosa (alcalina), para ver cómo las redes resistían bajo diferentes condiciones.

Esto es lo que encontraron. Primero, las "redes" se comportaron de manera muy diferente dependiendo de en qué "estanque" estuvieran. En el estanque tradicional de cloroformo, la red llamada TOPO fue la clara ganadora, atrapando el Europio de manera muy eficiente cuando el agua era ligeramente ácida (pH 2 a 6). Sin embargo, la red llamada TBP era prácticamente inútil en cloroformo, capturando casi nada en absoluto. La red llamada CMPO funcionó bien en cloroform lack, pero solo en un rango de pH específico (4 a 10), fallando el tiro en agua muy ácida o muy alcalina.

La historia se puso mucho más interesante cuando se movieron al estanque de líquido iónico. En este nuevo entorno, las reglas cambiaron. La red TBP, que fue un fiasco en el cloroformo, empezó a atrapar un poco de Europio, aunque seguía sin ser muy efectiva. La red TOPO, que fue una superestrella en el cloroformo, empezó a actuar de forma extraña en el líquido iónico. En lugar de atrapar el Europio y mantenerlo en el líquido, una enorme cantidad de la actividad radiactiva se quedó pegada a las paredes de los viales de vidrio, como si los átomos estuvieran pegados al vidrio en lugar de al líquido. Esto ocurrió en una amplia gama de niveles de pH. Los investigadores intentaron añadir TBP a la mezcla para solucionar este problema del "pegamento", y aunque ayudó un poco, no lo resolvió por completo.

El verdadero héroe de la historia resultó ser la red CMPO en el estanque de líquido iónico. Esta combinación fue una potencia. Agarró el Europio increíblemente bien a través de casi toda la gama de condiciones probadas, desde muy ácida hasta alcalina. De hecho, en el líquido iónico, el CMPO fue tan efectivo que extrajo más del 90% del Europio en ciertas condiciones, mientras que el sistema tradicional de cloroformo solo logró alrededor del 50%. Los investigadores también observaron otra red fuerte llamada TODGA. En el cloroformo, necesitaba un ácido muy fuerte para funcionar bien. En el líquido iónico, funcionó mucho mejor con niveles de ácido más bajos, aunque también sufrió el mismo problema de "pegarse a las paredes del vial" que el TOPO a pH bajo.

El artículo concluye que, si bien los solventes tradicionales tienen sus fortalezas, los líquidos iónicos ofrecen una alternativa prometedora, especialmente cuando se combinan con el extractante adecuado. Específicamente, la combinación de CMPO y el líquido iónico [C4mim][NTf2] sugiere una forma altamente eficiente de separar estos átomos complicados, incluso en condiciones donde los métodos tradicionales luchan. Sin embargo, los investigadores también señalaron que el fenómeno de "pegado" observado con TOPO y TODGA en líquidos iónicos es un misterio que requiere más estudio antes de que estos sistemas puedan ser plenamente confiables para el tratamiento de desechos en el mundo real. El estudio no demostró que los líquidos iónicos sean la solución perfecta para todo, pero sugiere fuertemente que son un candidato muy sólido para el futuro de la limpieza de desechos nucleares, siempre que podamos descubrir cómo evitar que los átomos se peguen al vidrio.

Resumen Técnico: Comparación de la Eficacia de Diversos Agentes de Extracción para la Separación de Europio en Líquidos Iónicos

Planteamiento del Problema
La gestión de los residuos radiactivos líquidos generados durante la operación y el desmantelamiento de las instalaciones nucleares sigue siendo un desafío tecnológico y ambiental significativo. Estos flujos de residuos son sistemas multicomponentes complejos que contienen actínidos, lantánidos y productos de fisión. Si bien la separación de radionucleidos seguida de su reutilización ofrece una vía para minimizar el volumen de residuos, la separación selectiva de objetivos específicos, como el europio (un lantánido representativo), es difícil debido al comportamiento químico similar de los lantánidos trivalentes y la complejación competitiva en soluciones acuosas.

La extracción líquido-líquido (LLE) convencional emplea típicamente disolventes orgánicos volátiles (p. ej., cloroformo, queroseno), los cuales plantean preocupaciones de seguridad y ambientales. Los líquidos iónicos (IL) a temperatura ambiente han surgido como alternativas prometedoras debido a su presión de vapor insignificante, estabilidad térmica y propiedades ajustables. Sin embargo, mientras gran parte de la investigación se centra en la extracción en medios altamente ácidos relevantes para el reprocesamiento de combustible gastado, existe una falta de datos comparativos respecto al comportamiento de extracción en valores de pH cercanos a la neutralidad o alcalinos, donde la especiación metálica cambia significativamente. Este estudio aborda la necesidad de evaluar sistemáticamente cómo la estructura del extractante y el entorno del disolvente (convencional frente a líquido iónico) afectan la extracción de europio a través de un amplio rango de pH.

Metodología
El estudio comparó sistemáticamente la extracción de Eu(III) utilizando cinco extractantes neutros: fosfato de tributilo (TBP), óxido de trifenilfosfina (TPPO), óxido de trioctilfosfina (TOPO), octilfenil(N,N-diisobutil)carbamoilmetil)óxido de fosfina (CMPO) y N,N,N',N'-tetraoctildiglicolamida (TODGA).

Se emplearon dos sistemas de disolventes distintos:

Disolvente Convencional: Cloroformo (CHCl₃).
Líquido Iónico: 1-butil-3-metilimidazolio bis(trifluorometanosulfonil)imida ([C₄mim][NTf₂]).

Los experimentos se llevaron a cabo en un amplio rango de composiciones de fase acuosa, incluyendo concentraciones de ácido nítrico de 0.001 a 10 mol L⁻¹ y soluciones amortiguadoras de borato a pH 7, 8 y 9.3. Los coeficientes de distribución ( $D$ ) se determinaron mezclando las fases acuosa y orgánica (relación de volumen 1:1), seguido de centrifugación y medición radiométrica de la actividad de $^{152}$ Eu. El estudio también investigó el efecto de añadir TBP como modificador en sistemas que utilizaban TOPO o TODGA en el líquido iónico para abordar problemas de adsorción.

Resultados Clave
Se encontró que la eficiencia de extracción depende altamente tanto de la estructura del extractante como del medio del disolvente:

TBP: Exhibió una extracción insignificante de europio tanto en cloroformo como en el líquido iónico a lo largo de todo el rango de pH estudiado ( $D < 0.1$ ).
TOPO: En cloroformo, el TOPO fue altamente efectivo en el rango de pH 2–6 ( $D > 1$ , alcanzando ~30 a pH ~1), pero la extracción se vio suprimida en concentraciones altas de ácido nítrico debido a la competencia con la extracción de ácido. En el líquido iónico, el TOPO causó un fenómeno significativo donde la mayor parte de la actividad del europio se adhería a las paredes del vial en lugar de particionarse en las fases líquidas, particularmente a pH bajo.
TPPO: Mostró una extracción deficiente en cloroformo ( $D < 0.1$ ). En el líquido iónico, la eficiencia de extracción fue ligeramente superior a la del cloroformo, pero se mantuvo baja en general. El mecanismo en el líquido iónico pareció involucrar un intercambio iónico con el catión [C₄mim]⁺.
CMPO: Demostró el desempeño más robusto. En cloroformo, la extracción ocurrió únicamente entre pH 4–10. En contraste, el CMPO en el líquido iónico logró coeficientes de distribución extremadamente altos ( $D > 100$ ) en todo el rango de pH, incluyendo medios fuertemente ácidos y alcalinos. El mecanismo de extracción en el líquido iónico probablemente involucra un intercambio iónico con [C₄mim]⁺, con 3–4 moléculas de CMPO involucradas en el complejo.
TODGA: En cloroformo, el TODGA fue efectivo solo en medios altamente ácidos (>2 mol L⁻¹ HNO₃), con un $D$ máximo de ~400 a 7M HNO₃. En el líquido iónico, el TODGA mostró una extracción mejorada en el rango de pH 3–6 en comparación con el cloroformo (>90% de extracción vs. ~50%). Sin embargo, al igual que el TOPO, exhibió una adsorción significativa de la actividad en las paredes del vial a pH bajo.

Significación y Reivindicaciones
Los autores afirman que la contribución principal de este trabajo es la comparación sistemática de la extracción de europio tanto en medios ácidos como alcalinos utilizando disolventes convencionales y líquidos iónicos. El estudio demuestra que:

Influencia del Disolvente: Los líquidos iónicos generalmente mejoran la extracción de europio en comparación con el cloroformo, lo que indica la participación activa de los componentes del IL en los equilibrios de extracción.
Superioridad del Extractante: Entre los sistemas probados, el CMPO disuelto en [C₄mim][NTf₂] exhibió la mayor eficiencia de extracción y mantuvo un alto desempeño a través de un amplio rango de pH, incluyendo condiciones cercanas a la neutralidad y alcalinas donde los sistemas convencionales suelen fallar o requieren un tamponamiento específico.
Fenómeno de Adsorción: Un hallazgo notable es la tendencia del Eu(III) a adsorberse en las paredes de los viales en sistemas de IL que contienen TOPO y TODGA a pH bajo. Aunque la adición de TBP como modificador redujo parcialmente este efecto, no lo eliminó, lo que sugiere la necesidad de una mayor investigación sobre las interacciones sólido-líquido en estos sistemas.

El artículo concluye que los sistemas basados en líquidos iónicos, particularmente aquellos que utilizan CMPO, representan candidatos prometedores para procesos de separación avanzados y tratamiento de residuos radiactivos, ofreciendo ventajas sobre los disolventes convencionales al retener un alto desempeño de extracción más allá de las condiciones fuertemente ácidas que se estudian típicamente en la literatura.

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