Spettri Raman di soluzioni composte da un monomero alluminato e due specie dimeriche. Bande vibrazionali previste dalla dinamica molecolare ab-initio (AIMD) mostrate in rosso e verde. La sovrapposizione delle bande IR e Raman fa sì che diverse combinazioni lineari di specie abbiano gli stessi spettri complessivi, impedendo l'identificazione. Credito:Laboratorio di scienze molecolari ambientali
L'alluminio disciolto formato durante la lavorazione industriale ha lasciato perplessi i chimici poiché si verificava in concentrazioni molto maggiori del previsto. Gli sforzi per spiegare il fenomeno sono stati ostacolati dall'incapacità di identificare con precisione le concentrazioni di ciascuna specie di alluminio presente. Una nuova ricerca degli scienziati dell'Energy Frontier Research Center IDREAM (Interfacial Dynamics in Radioactive Environments and Materials) individua quali composti sono presenti e le loro concentrazioni, fornendo un nuovo importante strumento con ampia applicabilità.
Il lavoro, guidato da scienziati del Pacific Northwest National Laboratory in collaborazione con scienziati della Washington State University e Washington River Protection Solutions, è stato presentato in The Journal of Physical Chemistry B in un documento intitolato, "La dinamica molecolare Ab Initio rivela i fratelli spettroscopici e l'accoppiamento ionico come nuove sfide per chiarire la speciazione dell'alluminio prenucleato".
Questa scoperta fornisce supporto per una migliore progettazione dei processi di produzione e separazione dell'alluminio per la generazione di energia e la trasmissione al trattamento dei rifiuti radioattivi ad alto livello.
La lavorazione industriale dell'alluminio per la produzione di energia e/o la bonifica dei rifiuti radioattivi ad alto livello richiede la dissoluzione dei complessi di alluminio come la gibbsite (α-Al(OH) 3 ) e boemite (AlOOH), tipicamente in condizioni altamente alcaline. Concentrazioni eccessive di alluminio disciolto potrebbero essere spiegate considerando le specie di alluminio dimerico, ma le prove spettroscopiche a sostegno di queste specie non sono state conclusive. Sono possibili più specie dimeriche, compreso Al 2 O(OH) 6 2- e Al 2 (OH) 8 2- , che hanno bande vibrazionali sovrapposte che hanno impedito l'identificazione univoca, fino ad ora.
In questo lavoro, i ricercatori hanno utilizzato una combinazione di spettroscopie Raman e infrarossi (IR) e metodi computazionali (dinamica molecolare ab-initio, AIMD) per risolvere le assegnazioni delle bande vibrazionali. Al(OH) monomerico in soluzione 4- e dimerico Al sia come Al 2 O(OH) 6 2- o Al 2 (OH) 8 2- sono stati risolti. Inoltre, larghezze di banda, spostamenti anarmonici, e sono stati determinati gli effetti medi del solvente, consentendo assegnazioni di bande specifiche e fornendo impronte digitali vibrazionali per ciascuna specie. Per di più, sono stati determinati gli effetti del solvente che sono importanti in tali soluzioni concentrate di elettroliti. Questi risultati forniscono una base per migliorare i modelli di equilibrio per le solubilità di boehmite e gibbsite, che aumenta la fiducia nella progettazione di schemi di lavorazione dell'alluminio industriale.
L'identificazione univoca delle specie di alluminio mediante metodi vibrazionali verrà ora applicata a soluzioni di elettroliti concentrate contenenti alluminato per risolvere le discrepanze nelle solubilità dell'alluminio in condizioni alcaline.
