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

Nel mondo moderno, una rivoluzione silenziosa sta avendo luogo nei materiali che alimentano la nostra tecnologia. Dai magneti nei motori elettrici agli schermi nei nostri dispositivi, un gruppo di elementi noti come terre rare è essenziale. Questi elementi si trovano spesso mescolati insieme nella crosta terrestre e, poiché sono chimicamente molto simili, separarli è un lavoro difficile e complicato. Per farlo, gli scienziati utilizzano un processo chiamato estrazione con solvente, che è essenzialmente un modo per lavare una miscela di metalli con un liquido speciale che cattura elementi specifici e lascia indietro altri. Per decenni, i liquidi utilizzati per questo lavaggio sono stati realizzati dal petrolio, un combustibile fossile. Queste sostanze chimiche tradizionali funzionano bene, ma sono tossiche, infiammabili e difficili da smaltire in sicurezza a fine vita, lasciando un'impronta ambientale pesante proprio sulle industrie che cercano di costruire un futuro più pulito.

Un team di ricercatori dell'Università Ege in Turchia si è posto l'obiettivo di risolvere questo problema creando un nuovo tipo di liquido per il lavaggio fatto con la natura. Invece di usare il petrolio, si sono rivolti al sorbitolo, un alcol dello zucchero presente nei frutti, e all'acido oleico, un grasso comune presente nell'olio di oliva. Facendo reagire questi due ingredienti naturali insieme, hanno creato un solvente bio-based in grado di separare metalli preziosi da quelli radioattivi. L'obiettivo non era solo quello di trovare un'alternativa più verde, ma di vedere se una sostanza fatta di materiali di grado alimentare potesse svolgere il delicato compito di separare il torio e l'uranio — elementi utilizzati nell'energia nucleare — dalle terre rare necessarie per la tecnologia verde. I risultati mostrano che, sebbene questi nuovi bio-solventi non siano potenti quanto i vecchi giganti chimici, offrono una via promettente e sostenibile per un tipo specifico di separazione che è cruciale per il futuro dell'energia pulita.

I ricercatori hanno iniziato mescolando l'alcol dello zucchero e l'acido grasso in un reattore di vetro, riscaldando la miscela a temperature elevate per incoraggiare il loro legame. Mentre la reazione procedeva, hanno monitorato i cambiamenti chimici, osservando come le parti acide delle molecole d'olio si trasformassero in legami esterei, un tipo di legame chimico che conferisce al nuovo liquido le sue proprietà uniche. Hanno creato due versioni di questo nuovo solvente, una con un rapporto di ingredienti leggermente diverso rispetto all'altra, e li hanno chiamati SOA2 e SOA3. Per confermare di aver creato con successo la nuova sostanza, hanno utilizzato strumenti di imaging avanzati per osservare la struttura molecolare, trovando chiare prove dei nuovi legami esterei che non erano presenti nello zucchero o nell'olio originali. Hanno anche misurato l'acidità del liquido, notando un brusco calo dell'acidità al completamento della reazione, il che segnalava che la trasformazione era stata un successo.

Una volta pronti i nuovi solventi, il team li ha messi alla prova in una serie di esperimenti progettati per vedere quanto bene potessero estrarre metalli specifici da una soluzione acquosa. Hanno creato una miscela contenente torio, uranio e diversi elementi di terre rare, tutti alla stessa concentrazione, e l'hanno mescolata con i loro nuovi bio-solventi. Hanno regolato attentamente l'acidità dell'acqua e il tempo di miscelazione dei liquidi, osservando quali metalli sarebbero "saltati" nel nuovo solvente e quali sarebbero rimasti indietro. I risultati sono stati rivelatori. A livelli di acidità più bassi, i nuovi solventi faticavano a catturare i metalli, poiché gli ioni idrogeno nell'acqua competevano troppo fortemente. Tuttavia, una volta alzato il pH a un livello moderato, i solventi hanno iniziato a lavorare efficacemente.

La scoperta più sorprendente è stata la capacità di questi bio-solventi di distinguere tra gli attinidi radioattivi e le terre rare. Quando le condizioni erano ottimizzate, i nuovi solventi erano in grado di estrarre il torio dalla miscela con alta efficienza, lasciando le terre rare nell'acqua. In uno dei casi migliori, il nuovo solvente è stato in grado di separare il torio dalle terre rare con un fattore di selettività superiore a 1.800, il che significa che era molto più probabile che catturasse il torio piuttosto che le terre rare. Questo è un traguardo significativo perché questi due gruppi di elementi sono notoriamente difficili da distinguere. Il solvente ha inoltre mostrato una forte preferenza per l'uranio rispetto alle terre rare, sebbene fosse meno efficace nel separare l'uranio dal torio.

Per capire come i loro nuovi solventi si confrontassero con lo standard industriale, i ricercatori li hanno messi a confronto con due noti estrattanti chimici, Cyanex e D2EHPA, che sono realizzati dal petrolio. Il confronto ha mostrato un chiaro compromesso. Le tradizionali sostanze chimiche a base di petrolio erano molto più aggressive; catturavano quasi ogni metallo nella miscela, indipendentemente dal tipo, e lo facevano molto velocemente. Questa alta capacità è utile per alcuni compiti industriali, ma rende difficile separare un metallo da un altro. I nuovi solventi bio-based, al contrario, erano più selettivi. Non catturavano molti meno metalli complessivamente, ma erano molto più bravi a scegliere quelli giusti. Agivano più come un filtro delicato, permettendo agli elementi radioattivi di passare mentre trattenevano le terre rare, o viceversa, a seconda delle condizioni.

I ricercatori hanno proposto che questa differenza derivi da come le sostanze chimiche interagiscono con i metalli. Le tradizionali sostanze chimiche derivate dal petrolio agiscono come magneti forti, formando legami ionici stretti con gli ioni metallici. Questa presa forte permette loro di attirare quasi tutto, ma rende difficile essere selettivi. I nuovi solventi bio-based, invece, operano attraverso un meccanismo più morbido. Circondano gli oni metallici e sostituiscono le molecole d'acqua che solitamente vi si attaccano, un processo guidato da forze più deboli. Poiché questa presa è più delicata, il solvente è meno propenso a catturare metalli che sono strettamente legati all'acqua, il che accade per molti degli elementi delle terre rare. Questa sottile differenza nel modo in cui trattengono i metalli è ciò che conferisce al bio-solvente la sua capacità di essere selettivo, anche se ciò comporta il non poter trattenere una quantità di metallo così elevata.

Quando il team ha esaminato come i loro nuovi solventi si posizionassero rispetto ad altri solventi bio-based o neutri riportati nella letteratura scientifica, le prestazioni sono risultate competitive. I fattori di separazione ottenuti sono paragonabili ad altre opzioni avanzate non derivate dal petrolio, suggerendo che questi derivati di zucchero e olio sono un contendente vitale nel campo. Tuttavia, lo studio ha anche evidenziato un limite. Sebbene i nuovi solventi fossero eccellenti nella selettività, la loro capacità complessiva di trattenere il metallo era inferiore rispetto alle aggressive sostanze chimiche a base di petrolio. Ciò significa che per un uso industriale su larga scala, potrebbe essere necessario utilizzare una quantità maggiore del nuovo solvente per processare la stessa quantità di materiale, oppure il processo potrebbe dover essere regolato per gestire diversamente le soluzioni concentrate.

Lo studio conclude che, sebbene questi solventi a base di sorbitolo e acido oleico non siano un sostituto perfetto per ogni esigenza industriale, rappresentano un passo significativo verso una raffinazione dei metalli sostenibile. Offrono un modo per separare materiali critici senza dipendere dai combustibili fossili e senza generare lo stesso livello di rifiuti tossici. I ricercatori suggeriscono che il futuro di questa tecnologia risieda nel perfezionare questi bio-solventi per aumentarne la capacità senza perdere la loro selettività. Una possibile strada da seguire è progettare versioni polimeriche di questi solventi che combinino la natura delicata e selettiva del materiale bio-based con gruppi di legame più forti. Fino ad allora, questo lavoro dimostra che è possibile creare strumenti di separazione ad alte prestazioni da risorse rinnovabili, offrendo un'alternaria più pulita per le industrie che alimentano il nostro mondo moderno.