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新技术探测液—液界面化学过程
发布时间: 2020-08-25 11:07 | 【 【打印】【关闭】

  

 

  研究人员揭示了溶剂萃取钴时液—液界面难以捉摸的化学过程。图片来源:Michelle Lehman/ORNL, U.S. Dept. of Energy 

  美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)研究人员捕捉到的实时测量数据,为回收钴的化学分离提供了新视角。钴是一种用于现代电池和磁铁的关键原材料。近日,发表在《ACS应用材料和界面》上的研究结果,揭示了从含有相似物质混合物的溶液中获取钴的分子动力学机制。

  “理解分离元素所需的分子事件是优化或创造新的、量身定制材料回收技术的关键。”ORNL化学科学部的Ben Doughty说。这项研究调查了溶剂萃取的基本化学原理。溶剂萃取是一种用油和水分离元素的方法。

  当搅拌时,油水溶液会自动分离成不同的层。这可以用来将溶解在一种液相中的目标材料转移到另一种液相中,从而使钴等特定元素从混合物中分离出来。“关键在于,你需要在这些液层间的界面上有分子,能够有选择地与你想要提取的物质结合。但是人们尚未充分理解表面上发生的复杂化学变化。”Doughty说。

  数十年来,由于探测油与水交汇的液—液界面的难度很大,研究人员一直无法深入了解导致钴和其他物质分离的化学反应。“这个界面本质上是油水间的‘看门人’,促进萃取的化学键在这里形成或破坏。要对分离过程进行微调,也需要实时了解该接口上发生了什么。”Doughty说。

  基于之前的聚合物研究,该团队研究了配体二(2-乙基己基)磷酸(DEHPA),这是一种工业标准的萃取剂,可以选择性地与钴离子结合在类似的金属上,比如镍,后者通常在溶液中自然地伴随着钴。

  研究人员将溶解在油中的DEHPA引入有钴和无钴的水基溶液中,然后使用一种超快脉冲激光技术进行探测,从而了解在液—液界面发生的反应。这项技术与其他实验方法的不同之处在于它能够追踪界面的动力学。研究人员还观察了pH值范围对DEHPA的影响,了解是什么导致了钴提取的最佳点。

  油基配体与水相互作用形成聚集物或分子群,在萃取过程中发挥重要作用。它们的工作是绑定和运输钴,但需要正确的大小和结构,以有效地工作。研究小组发现氢键会影响这些聚集体的排列,并且对pH值的变化很敏感。

  “我们的发现强调了氢键在开发新的提取方法中的重要作用。此外,我们观察到,本体溶液的pH值会影响氢键,并可能通过调整液—液界面达到最佳性能。”Doughty说。

  相关论文信息: 

  文章来源:中国科学报(唐一尘)、新闻网 

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