萨凡纳·米切姆，阿尔贡国家实验室 科学家使用x光散射技术(上图)和和频产生光谱技术(下图)来研究萃取过程中水和油界面的分离机制
学分:阿尔贡国家实验室 化学中的夏威夷和阿拉斯加，镧系和锕系元素总是与元素周期表中的主块分开显示
虽然它们是从更主流的元素中分离出来的，但它们是核能、风力涡轮机和电动汽车中使用的磁铁等应用的重要金属
这些技术产生的废物无处不在，而且寿命很长，它们会给环境和经济带来重大问题
镧系元素和锕系元素经常在核废料中混合在一起，电子废料中含有多种镧系元素
将金属从废料中分离出来可以使它们得到回收，从而减少了对昂贵的侵入性采矿的需求
科学家希望了解分离过程，使其更加有效
美国大学的研究人员
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能源部阿尔贡国家实验室利用x光研究了一种叫做溶剂萃取的分离过程，他们解释了在萃取过程中加入不同的盐如何改变从废物中提取的镧系元素
了解如何改进镧系元素的提取也将有助于科学家从锕系元素中分离镧系元素
“这项研究提供了重要的见解，将使有效和节能的分离，”阿贡化学家艾哈迈德·云萨尔说
“了解这一过程将有助于工业应用中关键材料的提纯
" 科学家通过将物质溶解在强酸中开始分离过程
然后他们将含有水的酸和油混合，让混合物沉淀
随着油从酸和水中分离出来，被称为萃取剂的分子将水中所需的金属转移到油中，为金属的再利用做好准备
目标是提取特定的金属，但由于镧系元素和锕系元素的行为非常相似，因此必须重复数百次该过程才能有效分离它们
为了使提取成为可能，金属不会自行移动——它们伴随着水和添加的盐
这些盐与金属结合，通过与萃取剂分子一起工作，帮助它们进入油中
萃取剂分子看起来像水母，头爱水，尾爱油
当混合物中的油和水分离时，萃取剂在两者之间形成界面
然后萃取剂分子包裹住金属、盐和水，将金属输送到边界
在这项研究中，科学家们研究了硝酸盐和硫氰酸盐的添加，以了解它们与萃取剂分子和金属的不同相互作用
具体来说，他们研究了硝酸盐将较轻的镧系元素分离到油中，而硫氰酸盐将较重的镧系元素分离出来的事实
选择硝酸盐或硫氰酸盐作为背景分子完全逆转了液-液萃取的选择性趋势
学分:阿尔贡国家实验室 云萨尔说:“随着金属变重，硝酸盐混合物的分离效率下降，但硫氰酸盐混合物的分离效率上升。”
“这就像一个逆转这些趋势的开关，如果你背靠背地运行这个过程，它有助于分离，因为你可以交替取出轻镧系元素和重镧系元素
" 这种差异的原因是一个公开的问题，阿尔贡团队通过x光散射和光谱学技术帮助回答了这个问题
科学家们在先进光子源(APS)使用12区ID-C束线，这是美国能源部科学办公室在阿尔贡的用户设施，进行从最轻到最重镧系元素的X射线散射实验
他们用x光在极小的范围内测定了分子的行为，观察到它们在硝酸盐和硫氰酸盐混合物中的组织差异
他们发现硫氰酸盐通过破坏界面的水结构起作用，使得更重的镧系元素更容易进入石油
另一方面，硝酸盐在界面上很好地适应了水的现有结构，并导致聚集，促进了大多数较轻镧系元素的转移
“这些结果表明，在硝酸盐或硫氰酸盐存在的情况下，镧系元素通过不同的机制被运输，”云萨尔说
“APS提供的明亮光子源和独特的液体表面X射线技术的使用对于研究萃取剂和金属之间的边界结构至关重要，”APS化学与材料高级辐射源中心(ChemMatCARS)束线的科学家魏布说
科学家用这条光束线在原子尺度上研究材料，包括不同液体之间的界面
该团队还使用光谱学技术来研究分子被提取到油中的过程阶段的结构
根据这些数据，他们开发了一个比现有模型更好地描述x光散射数据的过程模型
“以前的模型需要调整某些看似任意的参数来适应数据，”这项研究的第一作者斯里坎特·纳亚克说，“但是在我们的新方法中，每个参数都有物理意义，它帮助我们理解数据并从中得出更多有用的结论。”
" “理解这个过程中的每一步都很重要，我们的方法是独特的，我们以互补的方式研究了石油中的结构和界面结构，”云萨尔说
这需要一个具有不同科学背景的团队
例如，现在加拿大兰加拉学院的研究作者凯特林·洛夫林是激光光谱学专家，而纳亚克则专门从事x光散射实验
两位科学家都是该团队成功的关键部分，他们的背景反映了这项研究的多学科性质
一篇关于萃取过程新模型的论文“稀土分离中金属-两亲物复合物的离子特异性聚集”发表在《纳米尺度》杂志上
描述萃取过程中界面结构的第二篇论文，“特定离子效应在离子传输中的作用:硝酸盐和硫氰酸盐的情况”，发表在《物理化学杂志》上
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