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

En el mundo moderno, una revolución silenciosa está teniendo lugar en los materiales que impulsan nuestra tecnología. Desde los imanes en los motores eléctricos hasta las pantallas en nuestros dispositivos, un grupo de elementos conocidos como tierras raras es esencial. Estos elementos se encuentran a menudo mezclados en la corteza terrestre y, debido a que son tan químicamente similares, separarlos es una tarea difícil y desordenada. Para hacer esto, los científicos utilizan un proceso llamado extracción con solventes, que es esencialmente una forma de lavar una mezcla de metales con un líquido especial que atrapa elementos específicos y deja otros atrás. Durante décadas, los líquidos utilizados para este lavado han sido fabricados a partir del petróleo, un combustible fósil. Estos productos químicos tradicionales funcionan bien, pero son tóxicos, inflamables y difíciles de eliminar de forma segura al final de su vida útil, dejando una pesada huella ambiental sobre las mismas industrias que intentan construir un futuro más limpio.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Ege en Turquía se ha propuesto resolver este problema creando un nuevo tipo de líquido de lavado hecho de la naturaleza. En lugar de utilizar petróleo, recurrieron al sorbitol, un alcohol de azúcar que se encuentra en las frutas, y al ácido oleico, una grasa común que se encuentra en el aceite de oliva. Al hacer reaccionar estos dos ingredientes naturales, crearon un solvente de base biológica que puede separar metales valiosos de metales radiactivos. El objetivo no era solo encontrar una alternativa más verde, sino ver si una sustancia hecha de materiales de grado alimenticio podía realizar la delicada tarea de separar el torio y el uranio —elementos utilizados en la energía nuclear— de las tierras raras necesarias para la tecnología verde. Los resultados muestran que, si bien estos nuevos biosolventes no son tan potentes como los gigantes químicos antiguos, ofrecen un camino prometedor y sostenible para un tipo específico de separación que es crucial para el futuro de la energía limpia.

Los investigadores comenzaron mezclando el alcohol de azúcar y el ácido graso en un reactor de vidrio, calentando la mezcla a altas temperaturas para fomentar que se unieran. A medida que la reacción progresaba, monitoreaban los cambios químicos, observando cómo las partes ácidas de las moléculas de aceite se transformaban en enlaces de éster, un tipo de enlace químico que le otorga al nuevo líquido sus propiedades únicas. Crearon dos versiones de este nuevo solvente, una con una proporción de ingredientes ligeramente diferente a la otra, y las llamaron SOA2 y SOA3. Para confirmar que habían creado con éxito la nueva sustancia, utilizaron herramientas avanzadas de imagen para observar la estructura molecular, encontrando evidencia clara de los nuevos enlaces de éster que no estaban presentes en el azúcar o el aceite originales. También midieron qué tan ácido era el líquido, notando una caída brusca en la acidez a medida que la reacción se completaba, lo que señalaba que la transformación había sido exitosa.

Una vez que los nuevos solventes estuvieron listos, el equipo los puso a prueba en una serie de experimentos diseñados para ver qué tan bien podían extraer metales específicos de una solución basada en agua. Crearon una mezcla que contenía torio, uranio y varios elementos de tierras raras, todos a la misma concentración, y la mezclaron con sus nuevos biosolventes. Ajustaron cuidadosamente la acidez del agua y el tiempo que se permitía que los líquidos se mezclaran, observando qué metales saltarían al nuevo solvente y cuáles se quedarían atrás. Los resultados fueron reveladores. A niveles de acidez más bajos, los nuevos solventes tenían dificultades para atrapar los metales, ya que los iones de hidrógeno en el agua competían con demasiante ímpetu. Sin embargo, una vez que elevaron el pH a un nivel moderado, los solventes comenzaron a trabajar de manera efectiva.

El hallazgo más sorprendente fue la capacidad de estos biosolventes para distinguir entre los actínidos radiactivos y las tierras raras. Cuando las condiciones se optimizaron, los nuevos solventes fueron capaces de extraer el torio de la mezcla con alta eficiencia, dejando las tierras raras atrás en el agua. En uno de los mejores casos, el nuevo solvente fue capaz de separar el torio de las tierras raras con un factor de selectividad superior a 1,800, lo que significa que era mucho más probable que atrapara el torio que las tierras raras. Este es un logro significativo porque estos dos grupos de elementos son notoriamente difíciles de diferenciar. El solvente también mostró una fuerte preferencia por el uranio sobre las tierras raras, aunque fue menos efectivo al separar el urano del torio.

Para entender cómo estos nuevos solventes se comparaban con el estándar de la industria, los investigadores los enfrentaron a dos extractantes químicos bien conocidos, Cyanex y D2EHPA, que están hechos de petróleo. La comparación mostró un compromiso claro. Los químicos tradicionales basados en petróleo eran mucho más agresivos; atrapaban casi todos los metales en la mezcla, independientemente del tipo, y lo hacían muy rápidamente. Esta alta capacidad es útil para algunas tareas industriales, pero hace difícil separar un metal de otro. Los nuevos solventes de base biológica, por el contrario, eran más selectivos. No atrapaban tantos metales en total, pero eran mucho mejores para elegir los adecuados. Actuaban más como un filtro suave, permitiendo que los elementos radiactivos pasaran mientras retenían las tierras raras, o viceversa, dependiendo de las condiciones.

Los investigadores propusieron que esta diferencia se debe a cómo interactúan los químicos con los metales. Los químicos tradicionales de petróleo actúan como imanes fuertes, formando enlaces iónicos apretados con los iones metálicos. Este agarre fuerte les permite atraer casi cualquier cosa, pero hace que sea difícil ser selectivo. Los nuevos solventes de base biológica, sin embargo, trabajan a través de un mecanismo más suave. Rodean los lanos metálicos y reemplazan las moléculas de agua que usualmente se adhieren a ellos, un proceso impulsado por fuerzas más débiles. Debido a que este agarre es más suave, el solvente es menos propenso a atraer metales que están fuertemente unidos al agua, lo cual sucede con muchos de los elementos de tierras raras. Esta sutil diferencia en cómo sujetan los metales es lo que le otorga al biosolvente su capacidad de ser selectivo, incluso si esto significa que no puede retener tanto metal a la vez.

Cuando el equipo analizó cómo sus nuevos solventes se comparaban con otros solventes de base biológica o neutros reportados en la literatura científica, el rendimiento fue competitivo. Los factores de separación que lograron son comparables a otras opciones avanzadas no derivadas del petróleo, lo que sugiere que estos derivados de azúcar y aceite son un contendiente viable en el campo. Sin embargo, el estudio también destacó una limitación. Si bien los nuevos solventes fueron excelentes en cuanto a selectividad, su capacidad general para retener metales fue menor que la de los agresivos químicos basados en petróleo. Esto significa que para un uso industrial a gran escala, podría necesitarse más del nuevo solvente para procesar la misma cantidad de material, o el proceso podría necesitar ajustarse para manejar soluciones concentradas de manera diferente.

El estudio concluye que, si bien estos solventes de sorbitol y ácido oleico no son un reemplazo perfecto para cada necesidad industrial, representan un paso significativo hacia la refinación sostenible de metales. Ofrecen una forma de separar materiales críticos sin depender de los combustibles fósiles y sin generar el mismo nivel de desechos tóxicos. Los investigadores sugieren que el futuro de esta tecnología radica en refinar estos biosolventes para aumentar su capacidad sin perder su selectividad. Un posible camino a seguir es diseñar versiones poliméricas de estos solventes que combinen la naturaleza suave y selectiva del material biológico con grupos de unión más fuertes. Hasta entonces, este trabajo demuestra que es posible crear herramientas de separación de alto rendimiento a partir de recursos renovables, ofreciendo una alternativa más limpia para las industrias que impulsan nuestro mundo moderno.