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

In de moderne wereld vindt een stille revolutie plaats in de materialen die onze technologie aandrijven. Van de magneten in elektrische motoren tot de schermen in onze apparaten, een groep elementen die bekend staat als zeldzame aardmetalen is essentieel. Deze elementen komen vaak gemengd voor in de aardkorst, en omdat ze chemisch zo sterk op elkaar lijken, is het een moeilijk en rommelig proces om ze uit elkaar te halen. Hiervoor gebruiken wetenschappers een proces dat solventextractie wordt genoemd, wat in essentie een manier is om een mengsel van metalen te wassen met een speciale vloeistof die zich vastbijt aan specifieke elementen en anderen achterlaat. Decennialang zijn de vloeistoffen die voor dit wassen werden gebruikt, gemaakt van aardolie, een fossiele brandstof. Deze traditionele chemicaliën werken goed, maar ze zijn giftig, brandbaar en moeilijk op een veilige manier af te danken aan het einde van hun levensduur, waardoor ze een zware ecologische voetafdruk achterlaten op precies die industrieën die proberen een schonere toekomst op te bouwen.

Een team onderzoekers aan de Ege Universiteit in Turkije heeft zich ingesteld om dit probleem op te lossen door een nieuw soort wasvloeistof te creëren die uit de natuur komt. In plaats van aardolie te gebruiken, hebben ze zich gericht op sorbitol, een suikeralcohol die in fruit voorkomt, en oliezuur, een veelvoorkomend vet dat in olijfolie zit. Door deze twee natuurlijke ingrediënten met elkaar te laten reageren, creëerden ze een bio-gebaseerd oplosmiddel dat waardevolle metalen van radioactieve elementen kan scheiden. Het doel was niet alleen om een groener alternatief te vinden, maar ook om te zien of een substantie gemaakt van voedingsmiddelen de delicate taak kon uitvoeren om thorium en uranium — elementen die worden gebruikt in kernenergie — te scheiden van de zeldzame aardmetalen die nodig zijn voor groene technologie. De resultaten laten zien dat hoewel deze nieuwe bio-oplosmiddelen niet zo krachtig zijn als de oude chemische reuzen, ze een veelbelovend, duurzaam pad bieden voor een specifiek type scheiding dat cruciaal is voor de toekomst van schone energie.

De onderzoekers begonnen door de suikeralcohol en het vetzuur in een glazen reactor te mengen en het mengsel naar hoge temperaturen te verhitten om de ingrediënten te stimuleren met elkaar te binden. Terwijl de reactie vorderde, volgden ze de chemische veranderingen en zagen ze hoe de zure delen van de oliemoleculen transformeerden in esterverbindingen, een type chemische verbinding die de nieuwe vloeistof zijn unieke eigenschappen geeft. Ze creëerden twee versies van dit nieuwe oplosmiddel, één met een iets andere verhouding van ingrediënten dan de andere, en noemden deze SOA2 en SOA3. Om te bevestigen dat ze de nieuwe stof succesvol hadden gecreëerd, gebruikten ze geavanceerde beeldvormingsinstrumenten om naar de moleculaire structuur te kijken, waarbij ze duidelijk bewijs vonden van de nieuwe esterverbindingen die niet aanwezig waren in de oorspronkelijke suiker of olie. Ze maten ook hoe zuur de vloeistof was en merkten een scherpe daling in de zuurgraad op naarmate de reactie voltooid werd, wat signaleerde dat de transformatie succesvol was.

Zodra de nieuwe oplosmiddelen klaar waren, onderwierp het team ze aan een reeks experimenten, ontworpen om te zien hoe goed ze specifieke metalen uit een waterige oplossing konden trekken. Ze maakten een mengsel met thorium, uranium en verschillende zeldzame aardmetalen, allemaal in dezelfde concentratie, en mengden dit met hun nieuwe bio-oplosmiddelen. Ze pasten de zuurgraad van het water en de tijd die de vloeistoffen mochten mengen zorgvuldig aan, terwijl ze observeerden welke metalen in het nieuwe oplosmiddel zouden springen en welke achter zouden blijven. De resultaten waren onthullend. Bij lagere zuurgraadwaarden hadden de nieuwe oplosmiddelen moeite om de metalen te grijpen, omdat de waterstofionen in het water te sterk concurreerden. Echter, zodra ze de pH naar een gemiddeld niveau brachten, begonnen de oplosmiddelen effectief te werken.

De meest opmerkelijke bevinding was het vermogen van deze bio-oplosmiddelen om onderscheid te maken tussen de radioactieve actiniden en de zeldzame aardmetalen. Wanneer de omstandigheden optimaal waren, waren de nieuwe oplosmiddelen in staat om thorium met hoge efficiëntie uit het mengsel te trekken, waarbij de zeldzame aardmetalen in het water achterbleven. In een van de beste gevallen was het nieuwe oplosmiddel in staat om thorium van de zeldzame aardmetalen te scheiden met een selectiviteitsfactor van meer dan 1.800, wat betekent dat het vele malen waarschijnlijker was dat het de thorium zou grijpen dan de zeldzame aardmetalen. Dit is een belangrijke prestatie omdat deze twee groepen elementen berucht moeilijk van elkaar te onderscheiden zijn. Het oplosmiddel vertoonde ook een sterke voorkeur voor uranium boven de zeldzame aardmetalen, hoewel het minder effectief was in het scheiden van uranium van thorium.

Om te begrijhalen hoe de nieuwe oplosmiddelen zich verhielden tot de industriestandaard, lieten de onderzoekers ze strijden tegen twee bekende chemische extractanten, Cyanex en D2EHPA, die van aardolie zijn gemaakt. De vergelijking toonde een duidelijke afruil. De traditionele op aardolie gebaseerde chemicaliën waren veel agressiever; ze grepen bijna elk metaal in het mengsel, ongeacht het type, en deden dat zeer snel. Deze hoge capaciteit is nuttig voor sommige industriële taken, maar het maakt het moeilijk om één metaal van een ander te scheiden. De nieuwe bio-gebaseerde oplosmiddelen waren daarentegen selectiever. Ze grepen niet zoveel metalen in totaal, maar waren veel beter in het kiezen van de juiste. Ze werkten meer als een zacht filter, waardoor de radioactieve elementen door konden gaan terwijl de zeldzame aardmetalen werden tegengehouden, of andersom, afhankelijk van de omstandigheden.

De onderzoekers stelden voor dat dit verschil voortkomt uit de manier waarop de chemicaliën met de metalen interageren. De traditionele op aardolie gebaseerde chemicaliën werken als sterke magneten; ze vormen strakke, ionische bindingen met de metaalionen. Deze sterke grip stelt hen in staat om bijna alles aan te trekken, maar maakt het moeilijk om kieskeurig te zijn. De nieuwe bio-gebaseerde oplosmiddelen werken echter via een zachter mechanisme. Ze omringen de metaalionen en vervangen de watermoleculen die er normaal gesproken aan kleven, een proces dat wordt aangedreven door zwakkere krachten. Omdat deze grip minder krachtig is, is het oplosmiddel minder geneigd om metalen aan te trekken die stevig aan water gebonden zijn, wat toevallig het geval is voor veel van de zeldzame aardmetalen. Dit subtiele verschil in hoe ze de metalen vasthouden, is wat het bio-oplosmiddel zijn vermogen tot selectiviteit geeft, zelfs als dat betekent dat het niet zoveel metaal tegelijk kan vasthouden.

Toen het team keek naar hoe hun nieuwe oplosmiddelen presteerden ten opzichte van andere bio-gebaseerde of neutrale oplosmiddelen die in de wetenschappelijke literatuur zijn gerapporteerd, was de prestatie competitief. De scheidingsfactoren die zij bereikten, waren vergelijkbaar met andere geavanceerde, niet op aardolie gebaseerde opties, wat suggereert dat deze afgeleiden van suiker en olie een levensvatbare kandidaat zijn in dit vakgebied. De studie benadrukte echter ook een beperking. Hoewel de nieuwe oplosmiddelen uitstekend waren in selectiviteit, was hun totale capaciteit om metaal vast te houden lager dan die van de agressieve op aardolie gebaseerde chemicaliën. Dit betekent dat voor grootschalig industrieel gebruik mogelijk meer van het nieuwe oplosmiddel nodig is om dezelfde hoeveelheid materiaal te verwerken, of dat het proces moet worden aangepast om geconcentreerde oplossingen anders te verwerken.

De studie concludeert dat hoewel deze sorbitol-oliezuur oplosmiddelen geen perfecte vervanging zijn voor elke industriële behoefte, ze een belangrijke stap vormen naar een duurzame metaalverfijning. Ze bieden een manier om kritieke materialen te scheiden zonder afhankelijk te zijn van fossiele brandstoffen en zonder dezelfde hoeveelheid giftig afval te generen. De onderzoekers suggereren dat de toekomst van deze technologie ligt in het verfijnen van deze bio-oplosmiddelen om hun capaciteit te vergroten zonder hun selectiviteit te verliezen. Een mogelijke weg voorwaarts is het ontwerpen van polymere versies van deze oplosmiddelen die de zachte, selectieve aard van het biomateriaal combineren met sterkere bindingsgroepen. Tot die tijd bewijst dit werk dat het mogelijk is om hoogwaardige scheidingstools te maken van hernieuwbare bronnen, wat een schoner alternatief biedt voor de industrieën die onze moderne wereld aandrijven.