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

在现代世界中，一场关于驱动我们技术的材料的静默革命正在发生。从电动马达中的磁铁到我们设备中的屏幕，被称为稀土的一组元素至关重要。这些元素通常混合在一起存在于地壳中，由于它们的化学性质如此相似，将它们分离出来是一项困难且杂乱的工作。为了实现这一点，科学家们使用一种称为溶剂萃取的过程，这本质上是一种用一种特殊的液体“清洗”金属混合物的方法，这种液体能抓住特定的元素而留下其他元素。几十年来，用于这种清洗的液体一直由石油（一种化石燃料）制成。这些传统的化学品效果很好，但它们具有毒性、易燃且在寿命结束时难以安全处置，为那些试图构建更清洁未来的行业留下了沉重的环境足迹。

土耳其埃格大学（Ege University）的一个研究小组致力于通过创造一种由自然界制成的全新清洗液来解决这一问题。他们没有使用石油，而是转向了存在于水果中的糖醇——山梨糖醇，以及存在于橄榄油中的常见脂肪——油酸。通过将这两种天然成分反应在一起，他们创造出了一种生物基溶剂，这种溶剂可以分离有价值的金属与放射性元素。其目标不仅是寻找一种更绿色的替代品，还要观察一种由食品级材料制成的物质是否能够胜任将钍和铀（用于核能的元素）从绿色技术所需的稀土中分离出来的精细任务。结果表明，虽然这些新型生物溶剂不如旧有的化学巨头那样强大，但它们为对清洁能源未来至关重要的特定类型分离提供了一条充满希望且可持续的路径。

研究人员首先将糖醇和脂肪酸混合在一个玻璃反应器中，通过加热混合物以高温来促进它们的结合。随着反应的进行，他们监测化学变化，观察油分子中的酸性部分如何转化为酯键——一种赋予新液体独特属性的化学连接。他们创造了该新溶剂的两个版本，其中一个版本的成分比例与另一个略有不同，并将其命名为 SOA2 和 SOA3。为了确认他们成功创建了这种新物质，他们使用了先进的成像工具来观察分子结构，发现了原本不存在于原始糖或油中的新酯键的明确证据。他们还测量了液体的酸度，注意到随着反应完成，酸度大幅下降，这标志着转化过程是成功的。

一旦新溶剂准备就绪，团队便将其投入一系列实验中，旨在测试它们从水溶液中提取特定金属的能力。他们创建了一个包含钍、铀和几种稀土元素的混合物，所有元素的浓度相同，并将其与他们的新生物溶剂混合。他们仔细调节水的酸度和允许液体混合的时间，观察哪些金属会跳入新溶剂中，哪些会留在原地。结果是具有启发性的。在较低的酸度水平下，新溶剂难以抓取金属，因为水中的氢离子竞争过于激烈。然而，一旦他们将 pH 值提高到适中水平，这些溶剂就开始有效地发挥作用。

最显著的发现是这些生物溶剂区分放射性锕系元素与稀土元素的能力。当条件优化时，新溶剂能够以高效率将钍从混合物中分离出来，而将稀土元素留在水中。在表现最好的案例中，新溶剂能够以超过 1,800 的选择性因子将钍从稀土中分离出来，这意味着它抓取钍的可能性远大于抓取稀土的可能性。这是一项重大成就，因为这两类元素在性质上极其难以区分。该溶剂还表现出对铀相对于稀土的强烈偏好，尽管它在分离铀与钍方面效果稍逊。

为了了解这些新溶剂与工业标准相比如何，研究人员将它们与两种著名的石油制化学萃取剂——Cyanex 和 D2EHPA 进行了对比。对比显示了一个明显的权衡。传统的石油基化学品更加“激进”；它们会抓取混合物中的几乎每种金属，无论类型如何，且速度极快。这种高容量对于某些工业任务很有用，但它使得分离一种金属而非另一种变得困难。相比之下，新型生物基溶剂更具选择性。它们抓取的金属总量较少，但在挑选正确目标方面表现更好。它们更像是一个温和的过滤器，允许放射性元素通过，同时阻挡稀土元素，或者反之亦然，这取决于具体条件。

研究人员提出，这种差异源于化学物质与金属之间的相互作用方式。传统的石油化学品就像强力磁铁，与金属离子形成紧密的离子键。这种强大的抓取力使它们能够拉取几乎任何东西，但也使其难以做到“挑剔”。然而，新型生物基溶剂则通过一种更柔和的机制工作。它们围绕金属离子，并取代通常附着在它们身上的水分子，这一过程是由较弱的力量驱动的。由于这种抓取比较温和，溶剂不太可能拉取那些与水结合紧密的金属，而这恰恰是许多稀土元素的特性。这种对待金属方式的微妙差异，赋予了生物溶剂其选择性，即便这意味着它无法同时持有那么多金属。

当研究团队查看他们的溶剂与其他科学文献中报道的生物基或中性溶剂的表现时，其性能具有竞争力。他们实现的分配系数与其它先进的非石油类选项相当，这表明这些糖和油的衍生物是该领域内一个可行的竞争者。然而，研究也强调了一个局限性。虽然这些新溶剂在选择性方面表现出色，但它们持有金属的总容量低于激进的石油基化学品。这意味着对于大规模工业应用，可能需要使用更多的这种新溶剂来处理相同数量的材料，或者需要调整工艺以处理高浓度溶液。

研究结论指出，虽然这些山梨糖醇-油酸溶剂并非在所有工业需求面前都是完美的替代品，但它们代表了迈向可持续金属精炼的重要一步。它们提供了一种无需依赖化石燃料且不会产生同等水平有毒废物的途径来分离关键材料。研究人员建议，这项技术的未来在于改进这些生物溶剂，以在不损失选择性的情况下提高其容量。一个潜在的路径是设计这些溶剂的聚合物版本，将生物材料的温和、选择性特征与更强的结合基团结合起来。在此之前，这项工作证明了利用可再生资源创造高性能分离工具是可能的，为驱动我们现代世界的产业提供了一种更清洁的选择。