Le misurazioni in tempo reale acquisite dai ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Department of Energy forniscono informazioni mancanti sulle separazioni chimiche per recuperare cobalto, una materia prima fondamentale utilizzata per realizzare batterie e magneti per le moderne tecnologie.

Risultati pubblicati in Materiali e interfacce applicati ACS, tracciare la dinamica delle molecole progettate per catturare il cobalto da soluzioni contenenti una miscela di specie simili.

"Comprendere gli eventi molecolari che rendono possibile separare gli elementi è la chiave per ottimizzare o creare nuovi, approcci su misura per vaste aree di recupero dei materiali, ", ha affermato Ben Doughty della divisione di scienze chimiche dell'ORNL.

Lo studio indaga la chimica fondamentale alla base dell'estrazione con solvente, un metodo per separare gli elementi utilizzando due liquidi che non si dissolvono l'uno nell'altro, vale a dire olio e acqua.

Quando agitato, le soluzioni olio-acqua si separeranno da sole in strati distinti. Il fenomeno può essere utilizzato per trasferire materiali mirati disciolti in una fase liquida a un'altra, consentendo di separare elementi specifici come il cobalto da tutto il resto nel mix.

"Il problema è che hai bisogno di molecole all'interfaccia tra questi strati liquidi che sono pronte a legarsi selettivamente con i materiali che vuoi estrarre, " disse Doughty. "Ma la complessa chimica che avviene in superficie non è stata ben compresa."

La comprensione delle reazioni chimiche che consentono il cobalto e altre separazioni è sfuggita ai ricercatori per decenni, a causa delle sfide di sondare l'interfaccia liquido-liquido dove l'olio e l'acqua si incontrano. La superficie molecolare sottile è simile a un ago in un pagliaio, tende ad essere oscurato dalla soluzione di massa quando vengono utilizzati metodi spettroscopici tradizionali. Alla difficoltà si aggiungono le scale temporali di attività in competizione, che vanno da femtosecondi, un quadrilionesimo di secondo, a minuti, che le misurazioni statiche convenzionali non catturano.

"Questa interfaccia è essenzialmente il custode tra gli strati di petrolio e di acqua, dove si creano o si rompono legami chimici che facilitano le estrazioni. Per mettere a punto il processo di separazione, devi capire cosa sta succedendo in questa interfaccia in tempo reale, "Doughty ha detto.

ORNL è uno dei pochi gruppi specializzati in tecniche per sondare un'interfaccia liquido-liquido funzionante.

Partendo da precedenti lavori sui polimeri, il team ha esaminato il ligando acido di-(2-etilesil) fosforico, o DEHPA, un estrattore standard del settore che si lega selettivamente agli ioni cobalto su metalli simili come il nichel che spesso accompagnano naturalmente il cobalto in soluzione.

Il DEHPA disciolto nell'olio è stato introdotto in soluzioni a base acquosa con e senza cobalto e sondato utilizzando la generazione di frequenze di somma vibrazionale, una tecnica laser pulsata ultraveloce che ha permesso ai ricercatori di concentrarsi sulle reazioni che si verificano all'interfaccia liquido-liquido.

Ciò che distingue questa tecnica dagli altri metodi sperimentali è la capacità di tracciare la cinetica all'interfaccia, o i cambiamenti che avvengono in superficie durante una reazione chimica.

"L'estrazione con solventi è progettata per funzionare entro condizioni specifiche per un determinato obiettivo, e il pH è una variabile comunemente regolata. Così, il nostro esperimento è stato impostato per osservare l'influenza degli intervalli di pH sul DEHPA e capire cosa dà origine al punto debole per l'estrazione del cobalto, "Doughty ha detto.

Il legante a base di olio interagisce con l'acqua per formare aggregati, o gruppi di molecole che svolgono un ruolo importante nelle estrazioni. Il loro compito è legare e trasportare il cobalto, ma devono essere della giusta dimensione e struttura per funzionare in modo efficace. Il team ha scoperto che i legami idrogeno influenzano la disposizione di questi aggregati e sono sensibili ai cambiamenti di pH.

"I nostri risultati evidenziano il ruolo essenziale svolto dal legame idrogeno nello sviluppo di nuove metodologie di estrazione, " disse Doughty. "Inoltre, abbiamo osservato che il pH della soluzione sfusa influisce sul legame idrogeno e potrebbe essere potenzialmente regolato per regolare l'interfaccia liquido-liquido per le massime prestazioni".

Comprendere le regole di progettazione per l'estrazione apre strade per ridurre i costi energetici e ambientali della lavorazione del cobalto e, a sua volta, garantire catene di approvvigionamento di provenienza etica.

Il recupero del cobalto è solo un esempio di come le informazioni fondamentali sulle separazioni chimiche potrebbero essere utili. Strategie informate potrebbero essere applicate ad ampie aree del recupero di materiali critici e della bonifica dei rifiuti nucleari in cui i metodi di estrazione con solventi sono ampiamente impiegati.

L'articolo della rivista è pubblicato come "Separazioni chimiche guidate da idrogeno:chiarire le fasi interfacciali dell'autoassemblaggio nell'estrazione con solvente".