Realtidsmätningar som fångats av forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory ger saknad insikt i kemiska separationer för att återvinna kobolt, ett kritiskt råmaterial som används för att tillverka batterier och magneter för modern teknik.

Resultat publicerade i ACS tillämpade material och gränssnitt, spåra dynamiken hos molekyler utformade för att fånga kobolt från lösningar som innehåller en blandning av liknande arter.

"Att förstå de molekylära händelserna som gör det möjligt att separera element är nyckeln till att optimera eller skapa nya, skräddarsydda tillvägagångssätt för breda områden av materialåtervinning, " sa Ben Doughty från ORNL:s avdelning för kemiska vetenskaper.

Studien undersöker den grundläggande kemin bakom lösningsmedelsextraktion, en metod för att separera element med hjälp av två vätskor som inte löser sig i varandra, nämligen olja och vatten.

När man är upprörd, olja-och-vattenlösningar kommer att separera sig själv i distinkta lager. Fenomenet kan användas för att överföra riktade material lösta i en vätskefas till en annan, så att specifika element som kobolt kan separeras från allt annat i blandningen.

"Fastigheten är att du måste ha molekyler i gränsytan mellan dessa vätskeskikt som är redo att binda selektivt med de material du vill extrahera, sade Doughty. "Men den komplexa kemin som händer vid ytan har inte förståtts väl."

Insikt i de kemiska reaktioner som möjliggör kobolt och andra separationer har gäckat forskare i decennier, på grund av utmaningarna med att sondera vätske-vätska-gränsytan där olja och vatten möts. Den molekylärt tunna ytan liknar en nål i en höstack, tenderar att skymmas av bulklösningen när traditionella spektroskopiska metoder används. Konkurrerande tidsskalor för aktivitet ökar svårigheten, allt från femtosekunder – en kvadriljondels sekund – till minuter, att konventionella statiska mätningar inte fångar upp.

"Det här gränssnittet är i huvudsak portvakten mellan olje- och vattenlager, där kemiska bindningar som underlättar extraktioner görs eller bryts. För att finjustera separationsprocessen, du måste förstå vad som händer i det här gränssnittet i realtid, " sa Doughty.

ORNL är en av få grupper som specialiserar sig på tekniker för att undersöka ett fungerande vätske-vätskegränssnitt.

Bygger från tidigare arbete med polymerer, laget tittade på liganden di-(2-etylhexyl) fosforsyra, eller DEHPA, ett industristandardextraktionsmedel som selektivt binder med koboltjoner över liknande metaller som nickel som ofta naturligt följer med kobolt i lösning.

DEHPA löst i olja infördes i vattenbaserade lösningar med och utan kobolt och undersöktes med vibrationssummafrekvensgenerering, en ultrasnabb pulsad laserteknik som gjorde det möjligt för forskare att inse reaktioner som äger rum vid vätske-vätska-gränssnittet.

Det som skiljer denna teknik från andra experimentella metoder är förmågan att spåra kinetik vid gränssnittet, eller de förändringar som sker på ytan under en kemisk reaktion.

"Lösningsmedelsextraktion är utformad för att fungera inom specifika förhållanden för ett givet mål, och pH är en vanligen justerad variabel. Så, vårt experiment sattes upp för att observera inverkan av pH-intervall på DEHPA och förstå vad som ger upphov till sweet spot för koboltextraktion, " sa Doughty.

Den oljebaserade liganden interagerar med vatten för att bilda aggregat, eller grupper av molekyler som spelar en viktig roll i extraktioner. Deras jobb är att binda och transportera kobolt, men de måste ha rätt storlek och struktur för att fungera effektivt. Teamet upptäckte att vätebindningar påverkar arrangemanget av dessa aggregat och är känsliga för pH-förändringar.

"Våra resultat framhäver den viktiga roll vätebindning spelar för att utveckla nya extraktionsmetoder, sade Doughty. Dessutom, vi observerade att bulklösningens pH påverkar vätebindning och potentiellt kan justeras för att justera vätske-vätskegränssnittet för maximal prestanda."

Att förstå designreglerna för utvinning öppnar vägar för att minska energi- och miljökostnaderna för bearbetning av kobolt och, i tur och ordning, säkra etiskt anskaffade försörjningskedjor.

Koboltåtervinning är bara ett exempel på hur grundläggande insikter i kemiska separationer kan vara fördelaktiga. Informerade strategier skulle kunna tillämpas på breda områden av kritisk materialåtervinning och kärnavfallssanering där metoder för utvinning av lösningsmedel används i stor utsträckning.

Tidskriftsartikeln publiceras som "Hydrogen-Bond-Driven Chemical Separations:Elucidating the Interfacial Steps of Self-Assembly in Solvent Extraction."