Hiệu ứng hóa học tắc kè hoa tiết lộ con đường mới để tách kim loại đất hiếm
Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã phát hiện thấy hiệu ứng hóa học "tắc kè hoa" có thể cải thiện quy trình xử lý để tinh chế kim loại đất hiếm dùng trong các ứng dụng năng lượng sạch, y tế và an ninh quốc gia. Nghiên cứu được thực hiện với sự hợp tác của Đại học Vanderbilt, là nỗ lực mới nhất trong nhiều nỗ lực của Ban Khoa học Hóa học của ORNL nhằm giảm bớt rào cản tiếp cận các kim loại có tên gọi là lanthanide, được sử dụng rộng rãi trong nhiều sản phẩm và ứng dụng khác nhau, từ hình ảnh y sinh đến sản xuất hóa chất công nghiệp cho đến điện tử. Có 15 loại lanthanide và chúng cùng với hai nguyên tố khác được gọi chung là kim loại đất hiếm. Công trình nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (Journal of the American Chemical Society).
Trái ngược với tên gọi của chúng, hầu hết các kim loại đất hiếm thực tế không phải là hiếm; lanthanide có trong tự nhiên trong các mỏ quặng khoáng sản và nhiều loại phổ biến trong môi trường như đồng và chì. Tuy nhiên, đặc tính mạnh mẽ của kim loại khiến chúng được sử dụng rộng rãi và có tác dụng là khi một lanthanide riêng lẻ được tách ra khỏi hỗn hợp các kim loại khác có chứa nó khi khai thác.
Kim loại được lựa chọn phải được tinh chế ở mức độ cao trước khi nó trở nên hữu ích trong ứng dụng được mong đợi của nó. Sự hiếm có này nằm ở độ khó của quá trình phân tách này. "Đây là một thách thức lớn, vì các ion lanthanide rất giống nhau về kích thước và tính chất hóa học", Subhamay Pramanik, cựu tiến sĩ bậc sau tiến sĩ của ORNL và hiện là nhà hóa học phóng xạ thuộc nhóm hóa học vật liệu nano của ORNL cho biết. "Chúng chỉ khác nhau một chút ít, vì vậy việc cô lập phân tách các lanthanide thành chất riêng lẻ tinh khiết đòi hỏi trình độ khoa học phân tách có độ chính xác cao".
Để cô lập và phân tách được một kim loại từ các dung dịch khoáng đất hiếm, các nhà khoa học và ngành công nghiệp đã sử dụng các phối tử - hợp chất hóa học liên kết chọn lọc với một kim loại cụ thể trong dung dịch. Các hợp chất này được trộn vào dung môi hữu cơ, sau đó trộn với dung dịch gốc nước của hỗn hợp lanthanide. Giống như dầu, dung môi hữu cơ không hòa trộn lẫn vào nước, do đó các lớp sẽ tách ra. Nếu hợp chất này thành công trong việc tách kim loại mục tiêu khỏi dung dịch trong quá trình hòa trộn, nó sẽ hút kim loại vào lớp hữu cơ khi mà dung môi và dung dịch nước tách ra. Sau đó, kim loại có thể được xử lý và tinh chế thêm.
Các quy trình tách công nghiệp tốt nhất hiện tại đang được làm theo từng giai đoạn, các lanthanide được tách theo thứ tự cụ thể-nặng đến nhẹ hoặc nhẹ đến nặng. Quá trình này tốn thời gian và tốn kém, đồng thời tạo ra rất nhiều chất thải không phải lúc nào cũng thân thiện với môi trường.
Khi nghiên cứu một phối tử sẵn có, tương tự như các hợp chất được sử dụng trong quy trình đã đề cập ở trên, các nhà khoa học đã phát hiện ra một điều rất độc đáo đó là: phối tử có hành vi khác nhau tùy thuộc vào các điều kiện thử nghiệm.
Giống như tắc kè hoa, nó có thể thay đổi màu sắc để thích nghi với môi trường, hợp chất này cũng thay đổi hành vi khi môi trường xung quanh thay đổi, liên kết với các lanthanide khác nhau tùy thuộc vào nồng độ axit của dung dịch và lượng thời gian phối tử tương tác với nó. Ví dụ, nếu môi trường có tính axit hơn, phối tử sẽ liên kết ưu tiên với một lanthanide nặng hơn.
Santa Jansone-Popova của ORNL, đồng dẫn đầu nghiên cứu, cho biết: "trong các hệ thống phân tách thông thường, phối tử thường ưu tiên các lanthanide nhẹ hơn hoặc nặng hơn. Chúng tôi thấy rằng chúng ta có thể sử dụng cùng một hợp chất để thực hiện nhiều lần phân tách khác nhau, điều này thật thú vị và độc đáo. Và chúng tôi đã xác định được các cơ chế mà nó thực hiện điều đó".
Sử dụng cùng một hợp chất để phân tách nhiều lanthanide khác nhau trong chuỗi có thể làm giảm số bước cần thiết trong quy trình phân tách phổ biến và tốn kém hiện này. Hơn nữa, tùy thuộc vào các điều kiện, phối tử trong nghiên cứu này có thể phân tách các lanthanide nặng nhất, nhẹ nhất và trung bình theo bất kỳ thứ tự nào.
Phát hiện này rất có tiềm năng, làm cho các quá trình tách diễn ra nhanh hơn, sạch hơn và tốt hơn, cung cấp khả năng chọn lọc cũng như thu được kim loại đất hiếm có độ tinh khiết tốt hơn, mang lại các quy trình thân thiện hơn với môi trường.
