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

Cette étude évalue l'efficacité de divers agents d'extraction pour séparer l'europium, un représentant des lanthanides, des déchets radioactifs liquides vers des liquides ioniques en tant qu'alternative prometteuse aux solvants organiques conventionnels.

Auteurs originaux : Daria Matějková, Kateřina Čubová, Miroslava Semelová

Publié 2026-08-07

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Daria Matějková, Kateřina Čubová, Miroslava Semelová

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez que vous essayez de nettoyer une cuisine très sale et radioactive. Dans le monde de l'énergie nucléaire, lorsque les réacteurs fonctionnent ou que d'anciens équipements sont démontés, ils laissent derrière eux des « déchets liquides radioactifs ». Il ne s'agit pas seulement d'eau sale ; c'est une soupe complexe contenant des atomes dangereux appelés radionucléides, mélangés à des acides et d'autres produits chimiques. L'objectif des scientifiques est d'extraire des atomes spécifiques, utiles ou dangereux, de cette soupe afin qu'ils puissent être réutilisés ou stockés en toute sécurité, laissant derrière eux un volume de déchets beaucoup plus petit et plus propre.

Pour ce faire, les scientifiques utilisent souvent une technique appelée « extraction liquide-liquide ». Imaginez cela comme une tentative de séparer l'huile et le vinaigre. Vous avez votre eau désordonnée (la phase aqueuse) et vous la secouez avec une huile spéciale (la phase organique) qui adore attraper des atomes spécifiques mais déteste l'eau. Généralement, cet « huile » est un solvant chimique standard comme le chloroforme. Cependant, ces solvants traditionnels peuvent être odorants, inflammables et mauvais pour l'environnement. Entrez en scène le « Liquide Ionique ». Vous pouvez considérer un liquide ionique comme un sel qui a fondu en liquide à température ambiante. Il ne s'évapore pas comme les solvants normaux, il est robuste, et les scientifiques peuvent « accorder » sa chimie comme un robot sur mesure pour attraper exactement ce dont ils ont besoin. La grande question est : est-ce que ces nouveaux liquides ioniques sophistiqués fonctionnent réellement mieux que les anciens solvants pour capturer des atomes spécifiques ?

Ce document plonge dans cette question en se concentrant sur un atome spécifique : l'Europium. L'Europium appartient à une famille d'éléments appelés lanthanides, qui sont notoirement difficiles à séparer les uns des autres car ce sont des jumeaux chimiques. Les chercheurs ont traité l'Europium comme un substitut pour tous ces jumeaux difficiles. Ils ont mis en place une série de « concours de capture » pour voir quel « filet » chimique (appelé extractant) fonctionnait le mieux dans deux « étangs » différents : l'étang traditionnel au chloroforme et le nouvel étang au liquide ionique. Ils ont testé cinq filets différents : TBP, TPPO, TOPO, CMPO et TODGA. Ils ont également varié l'acidité de l'eau, allant de très acide (acide nitrique) à neutre et même légèrement savonneuse (alcaline), pour voir comment les filets résistaient à différentes conditions.

Voici ce qu'ils ont découvert. Premièrement, les « filets » se sont comportés de manière très différente selon l'étang dans lequel ils se trouvaient. Dans l'étang traditionnel au chloroforme, le filet appelé TOPO était le grand vainqueur, capturant l'Europium de manière très efficace lorsque l'eau était légèrement acide (pH 2 à 6). Cependant, le filet appelé TBP était pratiquement inutile dans le chloroforme, ne capturant presque rien du tout. Le filet appelé CMPO fonctionnait bien dans le chloroforme, mais seulement dans une plage de pH spécifique (4 à 10), manquant la cible dans les eaux très acides ou très alcalines.

L'histoire est devenue beaucoup plus intéressante lorsqu'ils sont passés à l'étang du liquide ionique. Dans ce nouvel environnement, les règles ont changé. Le filet TBP, qui était un raté dans le chloroforme, a commencé à capturer un tout petit peu d'Europium, bien qu'il ne soit toujours pas très efficace. Le filet TOPO, qui était une superstar dans le chloroforme, a commencé à agir étrangement dans le liquide ionique. Au lieu de capturer l'Europium et de le maintenir dans le liquide, une énorme quantité de l'activité radioactive est restée collée aux parois des fioles en verre, comme si les atomes étaient collés au verre plutôt qu'au liquide. Cela s'est produit sur une large gamme de niveaux de pH. Les chercheurs ont essayé d'ajouter du TBP au mélange pour corriger ce problème de « colle », et bien que cela ait aidé un peu, cela n'a pas résolu le problème complètement.

Le véritable héros de l'histoire s'est avéré être le filet CMPO dans l'étang du liquide ionique. Cette combinaison était une force de la nature. Il a saisi l'Europium incroyablement bien à travers presque toute la gamme de conditions testées, de très acide à alcalin. En fait, dans le liquide ionique, le CMPO était si efficace qu'il a extrait plus de 90 % de l'Europium dans certaines conditions, alors que le système traditionnel au chloroforme n'avait réussi qu'environ 50 %. Les chercheurs ont également observé un autre filet puissant nommé TODGA. Dans le chloroforme, il avait besoin d'un acide très fort pour bien fonctionner. Dans le liquide ionique, il a performé bien mieux à des niveaux d'acide plus bas, bien qu'il ait également souffert du même problème de « collage aux parois des fioles » que le TOPO à un pH bas.

L'article conclut que si les solvants traditionnels ont leurs forces, les liquides ioniques offrent une alternative prometteuse, surtout lorsqu'ils sont associés au bon extractant. Plus précisément, la combinaison du CMPO et du liquide ionique [C4mim][NTf2] suggère une façon hautement efficace de séparer ces atomes difficiles, même dans des conditions où les méthodes traditionnelles peinent. Cependant, les chercheurs ont également noté que le phénomène de « collage » observé avec le TOPO et le TODGA dans les liquides ioniques est un mystère qui nécessite davantage d'études avant que ces systèmes ne puissent être pleinement fiables pour le traitement des déchets en conditions réelles. L'étude n'a pas prouvé que les liquides ioniques sont la solution parfaite pour tout, mais elle suggère fortement qu'ils sont un candidat très sérieux pour l'avenir du nettoyage des déchets nucléaires, à condition que nous trouvions comment empêcher les atomes de coller au verre.

Résumé technique : Comparaison de l'efficacité de divers agents d'extraction pour la séparation de l'europium dans les liquides ioniques

Énoncé du problème
La gestion des déchets radioactifs liquides générés lors de l'exploitation et du démantèlement des installations nucléaires demeure un défi technologique et environnemental majeur. Ces flux de déchets sont des systèmes multicomposants complexes contenant des actinides, des lanthanides et des produits de fission. Bien que la séparation des radionucléides suivie de leur réutilisation offre une voie pour minimiser le volume des déchets, la séparation sélective de cibles spécifiques, telles que l'europium (un lanthanide représentatif), est difficile en raison de la similitude du comportement chimique des lanthanides trivalents et de la complexation compétitive dans les solutions aqueuses.

L'extraction liquide-liquide conventionnelle utilise généralement des solvants organiques volatils (par exemple, le chloroforme, le kérosène) qui posent des problèmes de sécurité et d'environnement. Les liquides ioniques (LI) à température ambiante sont apparus comme des alternatives prometteuses en raison de leur pression de vapeur négligeable, de leur stabilité thermique et de leurs propriétés ajustables. Cependant, alors qu'une grande partie de la recherche se concentre sur l'extraction dans des milieux fortement acides pertinents pour le retraitement des combustibles usés, il existe un manque de données comparatives concernant le comportement d'extraction à des valeurs de pH proches de la neutralité ou alcalines, où la spéciation métallique change significativement. Cette étude répond au besoin d'évaluer systématiquement comment la structure de l'extractant et l'environnement du solvant (conventionnel vs liquide ionique) affectent l'extraction de l'europium sur une large plage de pH.

Méthodologie
L'étude a comparé systématiquement l'extraction de l'Eu(III) en utilisant cinq extractants neutres : le tributyl phosphate (TBP), la triphénylphosphine oxyde (TPPO), la trioctylphosphine oxyde (TOPO), l'octylphényl(N,N-diisobutyl)carbamoylméthyl)phosphine oxyde (CMPO) et le N,N,N',N'-tétraoctyldiglycolamide (TODGA).

Deux systèmes de solvants distincts ont été employés :

Solvant conventionnel : Chloroforme (CHCl₃).
Liquide ionique : 1-butyl-3-méthylimidazolium bis(trifluorométhanesulfonyle)imide ([C₄mim][NTf₂]).

Les expériences ont été menées sur une large gamme de compositions de phases aqueuses, incluant des concentrations d'acide nitrique de 0,001 à 10 mol L⁻¹ et des solutions tamponnées au borate à pH 7, 8 et 9,3. Les rapports de distribution ( $D$ ) ont été déterminés en mélangeant les phases aqueuse et organique (rapport de volume 1:1), suivi d'une centrifugation et d'une mesure radiométrique de l'activité de l' $^{152}$ Eu. L'étude a également examiné l'effet de l'ajout de TBP comme modificateur dans les systèmes utilisant le TOPO ou le TODGA dans le liquide ionique pour remédier aux problèmes d'adsorption.

Résultats clés
L'efficacité de l'extraction s'est avérée être fortement dépendante de la structure de l'extractant et du milieu de solvant :

TBP : A présenté une extraction négligeable de l'europium dans le chloroforme comme dans le liquide ionique sur toute la plage de pH étudiée ( $D < 0,1$ ).
TOPO : Dans le chloroforme, le TOPO était très efficace dans la plage de pH 2–6 ( $D > 1$ , atteignant ~30 à pH ~1), mais l'extraction était supprimée à des concentrations élevées d'acide nitrique en raison de la compétition avec l'extraction de l'acide. Dans le liquide ionique, le TOPO a provoqué un phénomène significatif où la majeure partie de l'activité de l'europium adhérait aux parois des flacons plutôt que de se partitionner dans les phases liquides, particulièrement à bas pH.
TPPO : A montré une faible extraction dans le chloroforme ( $D < 0,1$ ). Dans le liquide ionique, l'efficacité de l'extraction était légèrement supérieure à celle dans le chloroforme mais restait globalement faible. Le mécanisme dans le liquide ionique semblait impliquer un échange d'ions avec le cation [C₄mim]⁺.
CMPO : A démontré la performance la plus robuste. Dans le chloroforme, l'extraction n'a eu lieu qu'entre pH 4 et 10. En revanche, le CMPO dans le liquide ionique a atteint des rapports de distribution extrêmement élevés ( $D > 100$ ) sur toute la plage de pH, y compris dans les milieux fortement acides et alcalins. Le mécanisme d'extraction dans le liquide ionique implique probablement un échange d'ions avec le [C₄mim]⁺, avec 3 à 4 molécules de CMPO impliquées dans le complexe.
TODGA : Dans le chloroforme, le TODGA était efficace uniquement dans les milieux très acides (> 2 mol L⁻¹ HNO₃), avec un $D$ maximum de ~400 à 7M HNO₃. Dans le liquide ionique, le TODGA a montré une extraction améliorée dans la plage de pH 3–6 par rapport au chloroforme (> 90 % d'extraction contre ~50 %). Cependant, comme le TOPO, il a présenté une adsorption significative de l'activité sur les parois des flacons à bas pH.

Signification et affirmations
Les auteurs affirment que la principale contribution de ce travail est la comparaison systématique de l'extraction de l'europium dans des milieux tant acides qu'alcalins en utilisant des solvants conventionnels et des liquides ioniques. L'étude démontre que :

Influence du solvant : Les liquides ioniques améliorent généralement l'extraction de l'europium par rapport au chloroforme, indiquant une participation active des composants du LI dans les équilibres d'extraction.
Supériorité des extractants : Parmi les systèmes testés, le CMPO dissous dans le [C₄mim][NTf₂] a présenté la plus haute efficacité d'extraction et a maintenu une performance élevée sur une large plage de pH, y compris les conditions proches de la neutralité et alcalines où les systèmes conventionnels échouent souvent ou nécessitent un tamponnage spécifique.
Phénomène d'adsorption : Un résultat notable est la tendance de l'Eu(III) à s'adsorber sur les parois des flacons dans les systèmes de LI contenant du TOPO ou du TODGA à bas pH. Bien que l'ajout de TBP comme modificateur ait partiellement réduit cet effet, il ne l'a pas éliminé, suggérant la nécessité de recherches supplémentaires sur les interactions solide-liquide dans ces systèmes.

L'article conclut que les systèmes à base de liquides ioniques, particulièrement ceux utilisant le CMPO, représentent des candidats prometteurs pour les processus de séparation avancés et le traitement des déchets radioactifs, offrant des avantages par rapport aux solvants conventionnels en conservant une haute performance d'extraction au-delà des conditions fortement acides habituellement étudiées dans la littérature.

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