导读 化学中的夏威夷和阿拉斯加，镧系元素和锕系元素是元素周期表上始终与主块分开显示的元素。虽然它们是从更主流的元素中分离出来的，但它们是

化学中的夏威夷和阿拉斯加，镧系元素和锕系元素是元素周期表上始终与主块分开显示的元素。虽然它们是从更主流的元素中分离出来的，但它们是用于核能和用于风力涡轮机和电动汽车的磁铁等应用的重要金属。

这些技术产生的废品普遍存在且寿命长，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混合在核废料中，电子废料中含有多种镧系元素。将金属从废物中分离出来，可以回收利用，从而减少对昂贵和侵入性采矿的需求。

科学家们希望了解分离过程以提高效率。能源部 (DOE) 阿贡国家实验室的研究人员使用 X 射线研究了一种称为溶剂萃取的分离过程，他们解释了在萃取过程中添加不同的盐会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，可以实现有效和节能的分离，”阿贡化学家 Ahmet Uysal 说。“了解这一过程将有助于净化工业应用的关键材料。”

科学家们通过将材料溶解在强酸中来开始分离过程。然后他们将含有水的酸与油混合，让混合物沉淀。当油与酸和水分离时，被称为萃取剂的分子将所需的金属从水中转移到油中，准备好重新使用金属。

目标是针对特定金属进行提取，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才能有效地分离它们。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，并通过与萃取剂分子一起作用将它们吸入油中。

萃取剂分子看起来像水母，头喜欢水，尾巴喜欢油。当油和水在混合物中分离时，萃取剂在两者之间形成界面。萃取剂分子然后包裹在金属、盐和水周围，以将金属运输过边界。

在这项研究中，科学家们研究了添加硝酸盐和硫氰酸盐的情况，以了解它们与萃取剂分子和金属的不同相互作用。具体而言，他们研究了硝酸盐将较轻的镧系元素分离到油中的事实，而硫氰酸盐则将较重的镧系元素分离。

选择硝酸盐或硫氰酸盐作为背景分子完全逆转了液-液萃取中的选择性趋势。图片来源：阿贡国家实验室

“随着金属变重，硝酸盐混合物的分离效率会下降，但硫氰酸盐混合物的效率会增加，”Uysal 说。“这就像一个逆转这些趋势的开关，如果你背靠背运行这些过程，它有助于分离，因为你可以交替拉出轻和重镧系元素。”

这种差异的原因是阿贡团队通过 X 射线散射和光谱技术帮助回答的一个悬而未决的问题。

科学家们使用位于阿贡的能源部科学用户设施高级光子源 (APS) 的 Sector 12 ID-C 光束线对从最轻到最重的镧系元素的各种元素进行 X 射线散射实验。使用 X 射线来确定分子在极小尺度上的行为，他们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处的水结构起作用，使较重的镧系元素更容易进入油中。另一方面，硝酸盐非常适合界面处的现有水结构并导致聚集，从而促进大部分较轻的镧系元素的转移。“这些结果表明镧系元素在硝酸盐或硫氰酸盐存在下通过不同的机制运输，”Uysal 说。

“使用 APS 提供的明亮光子源和独特的液面 X 射线技术对于研究萃取剂和金属之间的边界结构至关重要，”ChemMatCARS(化学与材料中心)的科学家 Wei Bu 说。高级辐射源)光束线在 APS。科学家们使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。

该团队还使用光谱技术研究了分子被提取到油中的过程阶段的结构。根据这些数据，他们开发了一个过程模型，该模型比现有模型更好地描述了 X 射线散射数据。

“以前的模型需要调整某些看似任意的参数以适应数据，”该研究的第一作者 Srikanth Nayak 说，“但使用我们的新方法，每个参数都有物理意义，它有助于我们理解数据并从中得出更有用的结论。”

“了解这个过程中的每一步很重要，我们的方法是独一无二的，我们以互补的方式研究石油中的结构和界面结构，”Uysal 说。这需要一个具有不同科学背景的团队。例如，研究作者 Kaitlin Lovering 现在在加拿大 Langara College 是激光光谱学专家，而 Nayak 则专门从事 X 射线散射实验。两位科学家都是该团队成功的关键部分，他们的背景反映了研究的多学科性质。

一篇关于提取过程新模型的论文“稀土分离中金属-两亲化合物的离子特异性聚类”发表在纳米尺度上。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 C》上。