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

Dans le monde moderne, une révolution tranquille s'opère dans les matériaux qui alimentent notre technologie. Des aimants des moteurs électriques aux écrans de nos appareils, un groupe d'éléments connus sous le nom de terres rares est essentiel. Ces éléments se trouvent souvent mélangés dans la croûte terrestre et, comme ils sont chimiquement si similaires, les extraire est un travail difficile et complexe. Pour ce faire, les scientifiques utilisent un processus appelé extraction par solvant, qui consiste essentiellement à laver un mélange de métaux avec un liquide spécial qui saisit certains éléments spécifiques et en laisse d'autres derrière lui. Pendant des décennies, les liquides utilisés pour ce lavage ont été fabriqués à partir de pétrole, un combustible fossile. Ces produits chimiques traditionnels fonctionnent bien, mais ils sont toxiques, inflammables et difficiles à éliminer en toute sécurité à la fin de leur vie, laissant une empreinte environnementale lourde sur les industries mêmes qui tentent de construire un avenir plus propre.

Une équipe de chercheurs de l'Université d'Ege en Turquie s'est donné pour mission de résoudre ce problème en créant un nouveau type de liquide de lavage fabriqué à partir de la nature. Au lieu d'utiliser du pétrole, ils se sont tournés vers le sorbitol, un alcool de sucre présent dans les fruits, et l'acide oléique, un corps gras courant trouvé dans l'huile d'olive. En faisant réagir ces deux ingrédients naturels ensemble, ils ont créé un solvant biosourcé capable de séparer les métaux précieux des éléments radioactifs. L'objectif n'était pas seulement de trouver une alternative plus verte, mais de voir si une substance fabriquée à partir de matériaux de qualité alimentaire pouvait accomplir la tâche délicate de séparer le thorium et l'uranium — des éléments utilisés dans l'énergie nucléaire — des terres rares nécessaires à la technologie verte. Les résultats montrent que, bien que ces nouveaux bio-solvants ne soient pas aussi puissants que les anciens géants chimiques, ils offrent une voie prometteuse et durable pour un type spécifique de séparation qui est crucial pour l'avenir de l'énergie propre.

Les chercheurs ont commencé par mélanger l'alcool de sucre et l'acide gras dans un réacteur en verre, en chauffant le mélange à des températures élevées pour encourager leur liaison. À mesure que la réaction progressait, ils surveillaient les changements chimiques, observant comment les parties acides des molécules d'huile se transformaient en liaisons ester, un type de lien chimique qui confère au nouveau liquide ses propriétés uniques. Ils ont créé deux versions de ce nouveau solvant, l'une ayant un ratio d'ingrédients légèrement différent de l'autre, et les ont nommées SOA2 et SOA3. Pour confirmer qu'ils avaient réussi à créer la nouvelle substance, ils ont utilisé des outils d'imagerie avancés pour observer la structure moléculaire, trouvant des preuves claires des nouvelles liaisons ester qui n'étaient pas présentes dans le sucre ou l'huile d'origine. Ils ont également mesuré l'acidité du liquide, notant une chute brutale de l'acidité à la fin de la réaction, ce qui signalait que la transformation avait réussi.

Une fois les nouveaux solvants prêts, l'équipe les a mis à l'épreuve lors d'une série d'expériences conçues pour voir comment ils pouvaient extraire des métaux spécifiques d'une solution aqueuse. Ils ont créé un mélange contenant du thorium, de l'uranium et plusieurs terres rares, tous à la même concentration, et l'ont mélangé avec leurs nouveaux bio-solvants. Ils ont soigneusement ajusté l'acidité de l'eau et le temps pendant lequel les liquides étaient laissés à se mélanger, observant quels métaux passeraient dans le nouveau solvant et lesquels resteraient en arrière. Les résultats étaient révélateurs. À des niveaux d'acidité plus faibles, les nouveaux solvants peinaient à saisir les métaux, car les ions hydrogène dans l'eau entraient trop fortement en compétition. Cependant, une fois qu'ils ont élevé le pH à un niveau modéré, les solvants ont commencé à fonctionner efficacement.

La découverte la plus frappante fut la capacité de ces bio-solvants à distinguer les actinides radioactifs des terres rares. Lorsque les conditions étaient optimisées, les nouveaux solvants étaient capables d'extraire le thorium du mélange avec une grande efficacité, laissant les terres rares dans l'eau. Dans l'un des meilleurs cas, le nouveau solvant a pu séparer le thorium des terres rares avec un facteur de sélectivité supérieur à 1 800, ce qui signifie qu'il était nettement plus susceptible de saisir le thorium que les terres rares. C'est une réussite significative car ces deux groupes d'éléments sont notoirement difficiles à distinguer. Le solvant a également montré une forte préférence pour l'uranium par rapport aux terres rares, bien qu'il ait été moins efficace pour séparer l'uranium du thorium.

Pour comprendre comment leurs nouveaux solvants se comparent à la norme industrielle, les chercheurs les ont opposés à deux extractants chimiques bien connus, le Cyanex et le D2EHPA, qui sont fabriqués à partir de pétrole. La comparaison a montré un compromis clair. Les produits chimiques traditionnels à base de pétrole étaient beaucoup plus agressifs ; ils saisissaient presque tous les métaux du mélange, quel que soit leur type, et le faisaient très rapidement. Cette haute capacité est utile pour certaines tâches industrielles, mais elle rend difficile la séparation d'un métal d'un autre. Les nouveaux solvants biosourcés, en revanche, étaient plus sélectifs. Ils ne saisissaient pas autant de métaux au total, mais ils étaient bien meilleurs pour choisir les bons. Ils agissaient davantage comme un filtre doux, laissant passer les éléments radioactifs tout en retenant les terres rares, ou vice versa, selon les conditions.

Les chercheurs ont suggéré que cette différence provient de la manière dont les produits chimiques interagissent avec les métaux. Les produits chimiques traditionnels à base de pétrole agissent comme des aimants puissants, formant des liaisons ioniques serrées avec les ions métalliques. Cette prise forte leur permet de tout attirer, mais cela les empêche d'être sélectifs. Les nouveaux bio-solvants, cependant, fonctionnent grâce à un mécanisme plus doux. Ils entourent les ions métalliques et remplacent les molécules d'eau qui s'y accrochent habituellement, un processus dicté par des forces plus faibles. Comme cette prise est plus douce, le solvant est moins susceptible d'attirer les métaux qui sont étroitement liés à l'eau, ce qui est le cas pour de nombreuses terres rares. Cette différence subtile dans la façon dont ils retiennent les métaux est ce qui donne au bio-solvant sa capacité de sélectivité, même si cela signifie qu'il ne peut pas contenir autant de métal à la fois.

Lorsque l'équipe a examiné comment leurs nouveaux solvants se classaient par rapport à d'autres solvants biosourcés ou neutres rapportés dans la littérature scientifique, leurs performances étaient compétitives. Les facteurs de séparation qu'ils ont obtenus sont comparables à d'autres options avancées non issues du pétrole, suggérant que ces dérivés de sucre et d'huile sont un candidat viable dans ce domaine. Cependant, l'étude a également souligné une limite. Bien que les nouveaux solvants aient été excellents en matière de sélectivité, leur capacité globale à retenir le métal était inférieure à celle des produits chimiques agressifs à base de pétrole. Cela signifie que pour une utilisation industrielle à grande échelle, davantage de nouveau solvant pourrait être nécessaire pour traiter la même quantité de matière, ou que le processus pourrait devoir être ajusté pour traiter différemment les solutions concentrées.

L'étude conclut que, bien que ces solvants de sorbitol et d'acide oléique ne soient pas un remplacement parfait pour chaque besoin industriel, ils représentent une étape importante vers un raffinage durable des métaux. Ils offrent un moyen de séparer les matériaux critiques sans dépendre des combustibles fossiles et sans générer le même niveau de déchets toxiques. Les chercheurs suggèrent que l'avenir de cette technologie réside dans l'amélioration de ces bio-solvants afin d'augmenter leur capacité sans perdre leur sélectivité. Une voie potentielle consiste à concevoir des versions polymères de ces solvants qui combinent la nature douce et sélective du bio-matériau avec des groupes de liaison plus forts. D'ici là, ce travail prouve qu'il est possible de créer des outils de séparation de haute performance à partir de ressources renouvelables, offrant une alternative plus propre pour les industries qui alimentent notre monde moderne.