Wetenschappers krijgen inzicht in recyclingprocessen voor nucleair en elektronisch afval

Het Hawaii en Alaska van chemie, lanthaniden en actiniden zijn de elementen die altijd afzonderlijk van het hoofdblok op het periodiek systeem worden weergegeven. Hoewel ze zijn opgesplitst van de meer reguliere elementen, zijn het belangrijke metalen voor toepassingen als kernenergie en magneten die worden gebruikt in windturbines en elektrische auto’s.

Afvalproducten van deze technologieën zijn alomtegenwoordig en hebben een lange levensduur, en kunnen aanzienlijke problemen opleveren voor het milieu en de economie. Lanthaniden en actiniden worden vaak met elkaar vermengd in nucleair afval, en elektronisch afval bevat meerdere lanthanide-elementen. Door de metalen van het afval te scheiden, kunnen ze worden gerecycled, waardoor er minder dure en invasieve mijnbouw nodig is.

Wetenschappers willen scheidingsprocessen begrijpen om ze efficiënter te maken. Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) gebruikten röntgenstralen om een ​​scheidingsproces te bestuderen dat oplosmiddelextractie wordt genoemd, en ze legden uit hoe het toevoegen van verschillende zouten aan het extractieproces kan veranderen welke lanthaniden uit het afval worden geëxtraheerd. Inzicht in hoe lanthanide-extracties kunnen worden verbeterd, zal wetenschappers ook helpen om lanthaniden van actiniden te scheiden.

“Dit onderzoek leverde belangrijke inzichten op die een effectieve en energiezuinige scheiding mogelijk maken”, zegt Argonne-chemicus Ahmet Uysal. “Het begrijpen van dit proces zal helpen bij het zuiveren van kritische materialen voor industriële toepassingen.”

Wetenschappers beginnen het scheidingsproces door het materiaal op te lossen in een sterk zuur. Vervolgens mengen ze het zuur, dat water bevat, met olie en laten ze het mengsel bezinken. Terwijl de olie zich scheidt van het zuur en water, transporteren moleculen die extractiemiddelen worden genoemd de gewenste metalen van het water naar de olie en maken het metaal klaar voor hergebruik.

Het doel is om specifieke metalen te extraheren om te extraheren, maar aangezien lanthaniden en actiniden zich zeer vergelijkbaar gedragen, moet het proces honderden keren worden herhaald om ze effectief te scheiden. Om extractie mogelijk te maken, reizen de metalen niet alleen – ze gaan vergezeld van water en toegevoegde zouten. Deze zouten binden zich aan de metalen en helpen ze in de olie te trekken door samen te werken met de extractiemoleculen.

Extractiemoleculen zien eruit als kwallen, met een kop die van water houdt en een staart die van olie houdt. Wanneer olie en water zich in het mengsel scheiden, vormen extractiemiddelen een interface tussen de twee. De extractiemoleculen wikkelen zich vervolgens om de metalen, zouten en water om de metalen over de grens te transporteren.

In deze studie onderzochten de wetenschappers de toevoeging van zouten die nitraat en thiocyanaat worden genoemd, om te begrijpen hoe ze anders interageren met extractiemoleculen en metalen. Ze bestudeerden specifiek het feit dat nitraat lichtere lanthaniden in de olie scheidt, terwijl thiocyanaat zwaardere lanthaniden scheidt.

“Naarmate de metalen zwaarder worden, daalt de efficiëntie voor scheiding in nitraatmengsels, maar neemt toe voor thiocyanaatmengsels”, aldus Uysal. “Het is als een schakelaar die deze trends omkeert, en als je de processen achter elkaar laat draaien, helpt het bij de scheiding omdat je afwisselend de lichte en zware lanthaniden eruit kunt halen.”

De reden voor dit verschil is een open vraag die het Argonne-team hielp beantwoorden door middel van röntgenverstrooiing en spectroscopietechnieken.

De wetenschappers gebruikten de Sector 12 ID-C-bundellijn bij de Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science User Facility in Argonne, om een ​​röntgenverstrooiingsexperiment uit te voeren voor elementen variërend van de lichtste tot de zwaarste lanthaniden. Met behulp van röntgenstralen om het gedrag van de moleculen op extreem kleine schaal te bepalen, zagen ze verschillen in hun organisatie in zowel nitraat- als thiocyanaatmengsels.

Ze ontdekten dat thiocyanaat werkt door de waterstructuur aan het grensvlak te verstoren, waardoor zwaardere lanthaniden gemakkelijker in de olie terecht kunnen komen. Nitraat past daarentegen goed binnen de bestaande structuur van water aan het grensvlak en veroorzaakt clustering, waardoor de overdracht van meestal lichtere lanthaniden wordt vergemakkelijkt. “Deze resultaten suggereren dat lanthaniden door verschillende mechanismen worden getransporteerd in de aanwezigheid van nitraat of thiocyanaat”, aldus Uysal.

“Het gebruik van de briljante fotonenbron van de APS en een unieke röntgentechniek met vloeistofoppervlak was van cruciaal belang voor de studie van grensstructuren tussen het extractiemiddel en de metalen”, zegt Wei Bu, een wetenschapper bij het ChemMatCARS (Chemistry and Materials Center for Advanced Radiation Sources) bundellijn bij de APS. Wetenschappers gebruiken deze bundellijn om materialen op atomaire schaal te bestuderen, inclusief de interfaces tussen verschillende vloeistoffen.

Het team gebruikte ook spectroscopietechnieken om de structuren te bestuderen tijdens de fase van het proces waarin de moleculen in de olie zijn geëxtraheerd. Op basis van deze gegevens ontwikkelden ze een model van het proces dat de gegevens over röntgenverstrooiing aanzienlijk beter beschrijft dan bestaande modellen.

“Eerdere modellen vereisten afstemming van bepaalde schijnbaar willekeurige parameters om in de gegevens te passen”, zei Srikanth Nayak, de eerste auteur van het onderzoek, “maar met onze nieuwe benadering heeft elke parameter een fysieke betekenis, en het helpt ons om de gegevens en om er meer bruikbare conclusies uit te trekken. “

“Het is belangrijk om elke stap in dit proces te begrijpen, en onze benadering is uniek in de manier waarop we de structuren in de olie en de grensvlakstructuren op een complementaire manier hebben bestudeerd”, zei Uysal. Dit vraagt ​​om een ​​team met diverse wetenschappelijke achtergronden. Studieauteur Kaitlin Lovering, nu aan het Langara College in Canada, is bijvoorbeeld een expert in laserspectroscopie en Nayak is gespecialiseerd in experimenten met röntgenverstrooiing. Beide wetenschappers waren een cruciaal onderdeel van het succes van het team en hun achtergrond weerspiegelt het multidisciplinaire karakter van het onderzoek.

In Nanoschaal​ Een tweede artikel waarin de grensvlakstructuren tijdens extractie worden beschreven, “The role of specific ion effects in ion transport: the case of nitrate and thiocyanate”, werd gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry C​