Kemins Hawaii och Alaska, lantanider och aktinider är de grundämnen som alltid visas separat från huvudblocket i det periodiska systemet. Även om de är uppdelade från de mer vanliga elementen, de är viktiga metaller för tillämpningar som kärnkraft och magneter som används i vindkraftverk och elbilar.

Avfallsprodukter från dessa teknologier är genomgående och långlivade, och de kan innebära betydande problem för miljön och ekonomin. Lantanider och aktinider blandas ofta ihop i kärnavfall, och elektroniskt avfall innehåller flera lantanidelement. Genom att separera metallerna från avfallet kan de återvinnas, minska behovet av dyr och invasiv gruvdrift.

Forskare vill förstå separationsprocesser för att göra dem mer effektiva. Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory använde röntgenstrålar för att studera en separationsprocess som kallas lösningsmedelsextraktion, och de förklarade hur tillsats av olika salter i extraktionsprocessen kan förändra vilka lantanider som extraheras från avfallet. Att förstå hur man förbättrar lantanidextraktioner kommer också att hjälpa forskare att separera lantanider från aktinider.

"Denna forskning gav viktiga insikter som kommer att möjliggöra effektiv och energieffektiv separation, ", sa Argonne-kemist Ahmet Uysal. "Att förstå denna process kommer att hjälpa till med rening av kritiska material för industriella tillämpningar."

Forskare börjar separationsprocessen genom att lösa upp materialet i en stark syra. Sedan blandar de syran, som innehåller vatten, med olja och låt blandningen sätta sig. När oljan separeras från syran och vattnet, molekyler som kallas extraktionsmedel transporterar de önskade metallerna från vattnet till oljan, förbereda metallen för återanvändning.

Målet är att rikta in specifika metaller för att utvinna, men eftersom lantanider och aktinider beter sig väldigt lika, processen måste upprepas hundratals gånger för att effektivt skilja dem åt. För att göra utvinning möjlig, metallerna färdas inte av sig själva – de åtföljs av vatten och tillsatta salter. Dessa salter binder till metallerna och hjälper till att dra in dem i oljan genom att arbeta tillsammans med extraktionsmolekylerna.

Extraherande molekyler ser ut som maneter, med ett huvud som älskar vatten och en svans som älskar olja. När olja och vatten separeras i blandningen, extraktionsmedel bildar ett gränssnitt mellan de två. Extraktionsmolekylerna sveper sedan runt metallerna, salter och vatten för att transportera metallerna över gränsen.

I den här studien, forskarna undersökte tillsatsen av salter som kallas nitrat och tiocyanat för att förstå hur de interagerar olika med extraktionsmolekyler och metaller. Specifikt, de studerade det faktum att nitrat separerar lättare lantanider i oljan, medan tiocyanat separerar tyngre lantanider.

"När metallerna blir tyngre, effektiviteten sjunker för separation i nitratblandningar, men ökar för tiocyanatblandningar, ", sa Uysal. "Det är som en switch som vänder dessa trender, och om du kör processerna rygg mot rygg, det hjälper med separation eftersom du kan omväxlande dra ut de lätta och tunga lantaniderna."

Anledningen till denna skillnad är en öppen fråga som Argonne-teamet hjälpte till att besvara genom röntgenspridning och spektroskopitekniker.

Forskarna använde Sector 12 ID-C beamline vid Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science User Facility i Argonne, att genomföra ett röntgenspridningsexperiment för grundämnen som sträcker sig från de lättaste till de tyngsta lantaniderna. Att använda röntgenstrålar för att bestämma molekylernas beteende i extremt liten skala, de observerade skillnader i deras organisation i både nitrat- och tiocyanatblandningar.

De upptäckte att tiocyanat fungerar genom att störa vattenstrukturen vid gränssnittet, vilket gör att tyngre lantanider lättare kan ta sig in i oljan. Nitrat, å andra sidan, passar väl in i den befintliga strukturen av vatten vid gränssnittet och orsakar kluster, underlätta överföringen av mestadels lättare lantanider. "Dessa resultat tyder på att lantanider transporteras genom olika mekanismer i närvaro av nitrat eller tiocyanat, sa Uysal.

"Användningen av den lysande fotonkällan som tillhandahålls av APS och en unik röntgenteknik för flytande ytor var avgörande för studiet av gränsstrukturer mellan extraktionsmedlet och metaller, sa Wei Bu, en forskare vid ChemMatCARS (Chemistry and Materials Center for Advanced Radiation Sources) strållinje vid APS. Forskare använder denna strållinje för att studera material i atomär skala, inklusive gränssnitten mellan olika vätskor.

Teamet använde också spektroskopitekniker för att studera strukturerna under fasen av processen där molekylerna har extraherats i oljan. Från dessa uppgifter, de utvecklade en modell av processen som beskriver röntgenspridningsdata betydligt bättre än befintliga modeller.

"Tidigare modeller krävde justering av vissa till synes godtyckliga parametrar för att passa data, " sa Srikanth Nayak, den första författaren i studien, "men med vårt nya tillvägagångssätt, varje parameter har en fysisk betydelse, och det hjälper oss att förstå data och dra mer användbara slutsatser från dem."

"Det är viktigt att förstå varje steg i denna process, och vårt tillvägagångssätt är unikt på det sättet att vi studerade strukturerna i oljan och gränssnittsstrukturerna på ett komplementärt sätt, " sa Uysal. Detta kräver ett team med olika vetenskapliga bakgrunder. Till exempel, studieförfattaren Kaitlin Lovering, nu på Langara College i Kanada, är expert på laserspektroskopi, och Nayak är specialiserad på röntgenspridningsexperiment. Båda forskarna var en avgörande del av lagets framgång, och deras bakgrund återspeglar forskningens tvärvetenskapliga karaktär.

Ett papper om den nya modellen av extraktionsprocessen, "Jonspecifik klustring av metall-amfifila komplex i sällsynta jordartsmetaller, " publicerades i Nanoskala . En andra artikel som beskriver gränssnittsstrukturerna under extraktion, "Rollen av specifika joneffekter i jontransport:fallet med nitrat och tiocyanat, " publicerades i Journal of Physical Chemistry C .