Laser ultra cepat menyelidiki kimia yang sulit dipahami pada antarmuka cair-cair – Sains Terkini

Pengukuran waktu nyata yang ditangkap oleh para peneliti di Laboratorium Nasional Oak Ridge Departemen Energi memberikan wawasan yang hilang tentang pemisahan bahan kimia untuk memulihkan kobalt, bahan mentah penting yang digunakan untuk membuat baterai dan magnet untuk teknologi modern.

Hasil dipublikasikan di Bahan dan Antarmuka Terapan ACS, lacak dinamika molekul yang dirancang untuk mengambil kobalt dari larutan yang mengandung campuran spesies serupa.

"Memahami peristiwa molekuler yang memungkinkan untuk memisahkan elemen adalah kunci untuk mengoptimalkan atau menciptakan pendekatan baru yang disesuaikan untuk area luas pemulihan material," kata Ben Doughty dari Divisi Ilmu Kimia ORNL.

Studi tersebut menyelidiki kimia fundamental yang mendasari ekstraksi pelarut, metode pemisahan unsur menggunakan dua cairan yang tidak larut satu sama lain, yaitu minyak dan air.

Saat diaduk, larutan minyak dan air akan terpisah sendiri menjadi lapisan yang berbeda. Fenomena ini dapat digunakan untuk mentransfer bahan target yang dilarutkan dalam satu fase cair ke fase cair lainnya, memungkinkan elemen tertentu seperti kobalt dipisahkan dari semua yang lain dalam campuran.


"Masalahnya adalah Anda harus memiliki molekul di antarmuka antara lapisan cair ini yang siap untuk mengikat secara selektif dengan bahan yang ingin Anda ekstrak," kata Doughty. "Tapi kimia kompleks yang terjadi di permukaan belum dipahami dengan baik."

Pemahaman tentang reaksi kimia yang memungkinkan kobalt dan pemisahan lainnya telah luput dari perhatian para peneliti selama beberapa dekade, karena tantangan untuk menyelidiki antarmuka cair-cair tempat minyak dan air bertemu. Permukaan yang tipis secara molekuler mirip dengan jarum di tumpukan jerami, cenderung tertutupi oleh larutan massal bila metode spektroskopi tradisional digunakan. Yang menambah kesulitan adalah persaingan skala waktu aktivitas, mulai dari femtoseconds – satu kuadriliun detik – hingga menit, yang tidak dapat ditangkap oleh pengukuran statis konvensional.

"Antarmuka ini pada dasarnya adalah penjaga gerbang antara lapisan minyak dan air, di mana ikatan kimia yang memfasilitasi ekstraksi dibuat atau diputus. Untuk menyempurnakan proses pemisahan, Anda perlu memahami apa yang terjadi pada antarmuka ini secara real time," kata Doughty.

ORNL adalah salah satu dari sedikit kelompok yang mengkhususkan diri dalam teknik untuk menyelidiki antarmuka cair-cair yang berfungsi.

Dibangun dari pekerjaan sebelumnya pada polimer, tim mengamati asam fosfat ligan di- (2-etilheksil), atau DEHPA, ekstraktan standar industri yang secara selektif mengikat ion kobalt pada logam serupa seperti nikel yang secara alami sering menyertai kobalt dalam larutan .

DEHPA yang dilarutkan dalam minyak diperkenalkan ke larutan berbasis air dengan dan tanpa kobalt dan diselidiki menggunakan generasi frekuensi getaran, teknik laser berdenyut ultra cepat yang memungkinkan para peneliti memahami reaksi yang terjadi pada antarmuka cair-cair.

Apa yang membedakan teknik ini dari metode eksperimental lainnya adalah kemampuan untuk melacak kinetika di antarmuka, atau perubahan yang terjadi di permukaan selama reaksi kimia.


"Ekstraksi pelarut dirancang untuk bekerja dalam kondisi tertentu untuk target tertentu, dan pH adalah variabel yang umumnya disesuaikan. Jadi, eksperimen kami disiapkan untuk mengamati pengaruh rentang pH pada DEHPA dan memahami apa yang menimbulkan sweet spot bagi kobalt. ekstraksi, "kata Doughty.

Ligan berbasis minyak berinteraksi dengan air membentuk agregat, atau kelompok molekul yang berperan penting dalam ekstraksi. Tugas mereka adalah mengikat dan mengangkut kobalt, tetapi mereka harus memiliki ukuran dan struktur yang tepat agar dapat bekerja secara efektif. Tim menemukan bahwa ikatan hidrogen mempengaruhi pengaturan agregat ini dan sensitif terhadap perubahan pH.

"Temuan kami menyoroti peran penting ikatan hidrogen dalam mengembangkan metodologi ekstraksi baru," kata Doughty. "Selain itu, kami mengamati bahwa pH larutan massal memengaruhi ikatan hidrogen dan berpotensi dapat disesuaikan untuk menyesuaikan antarmuka cair-cair untuk kinerja puncak."

Memahami aturan desain untuk ekstraksi membuka jalan untuk mengurangi biaya energi dan lingkungan dari pemrosesan kobalt dan, pada gilirannya, mengamankan rantai pasokan yang bersumber secara etis.

Pemulihan kobalt hanyalah salah satu contoh tentang bagaimana pemahaman mendasar tentang pemisahan bahan kimia dapat bermanfaat. Strategi yang diinformasikan dapat diterapkan pada area luas pemulihan bahan kritis dan pembersihan limbah nuklir di mana metode ekstraksi pelarut digunakan secara luas.

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.