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Extracción con disolventes para la separación de tierras raras

1940
  • Frank Spedding
Configuración de extracción por solventes de laboratorio para la separación de elementos de tierras raras en ingeniería química.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Separating chemically similar rare-earth elements is notoriously difficult. The primary industrial método is solvent extraction, specifically liquid-liquid counter-current extraction. This process exploits subtle differences in the partition coefficients of rare-earth ions between an aqueous phase and an immiscible organic phase containing a complexing agent. By repeating the process over hundreds of stages, high-purity individual elements can be isolated.

The process relies on the principle of differential partitioning. The rare-earth elements, typically as trivalent ions ([latex]RE^{3+}[/latex]) in an acidic aqueous solution, are brought into contact with an organic solvent (like kerosene) containing an extractant. Common extractants include organophosphorus compounds like tributyl phosphate (TBP) or di-(2-ethylhexyl)phosphoric acid (D2EHPA). The extractant forms a complex with the rare-earth ions, making them soluble in the organic phase. Due to the lanthanide contraction, the stability of these complexes, and thus their tendency to move into the organic phase, varies slightly across the series. Lighter lanthanides (like lanthanum) are more basic and prefer the aqueous phase, while heavier lanthanides (like lutetium) are more acidic and have a greater affinity for the organic extractant.

En un sistema a contracorriente, las fases acuosa y orgánica fluyen en direcciones opuestas a través de una serie de etapas (mezcladores-sedimentadores). En cada etapa, los elementos se redistribuyen entre las dos fases según su coeficiente de partición. Esta cascada multietapa amplifica el pequeño factor de separación de una sola etapa, lo que permite la separación final de tierras raras adyacentes hasta alcanzar purezas superiores al 99,99 %. La elección del extractante, el pH de la fase acuosa y la temperatura son parámetros críticos que se controlan cuidadosamente para optimizar la separación de elementos específicos. Este método sustituyó a las anteriores técnicas de cristalización fraccionada, mucho más laboriosas, y permitió la producción a gran escala de tierras raras, necesaria para la tecnología moderna.

UNESCO Nomenclature: 3305
– Chemical engineering

Tipo

Proceso químico

Ruptura

Substancial

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • descubrimiento de líquidos inmiscibles
  • Nernst’s distribution law describing partitioning
  • Desarrollo de la cristalización fraccionada, un método de separación anterior y menos eficiente.
  • síntesis de agentes complejantes orgánicos
  • Avances en los principios de ingeniería química para procesos multietapa

Aplicaciones

  • industrial-scale production of high-purity rare-earth elements
  • reprocesamiento nuclear para separar actínidos como el plutonio y el uranio de los productos de fisión
  • Hidrometalurgia para la extracción de metales como el cobalto y el níquel
  • Purificación de productos químicos y farmacéuticos especiales

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • Sistemas de extracción basados ​​en líquidos iónicos para reemplazar solventes orgánicos volátiles, mejorando la seguridad y la reciclabilidad
  • Extracción con fluidos supercríticos utilizando CO2 para una separación ecológica y eficiente
  • Extracción con solventes basados ​​en membranas para reducir el tamaño del equipo y el consumo de energía
  • automated microfluidic systems for rapid, small-scale separation and analysis
  • Uso de algoritmos de aprendizaje automático para optimizar procesos de extracción de múltiples parámetros en tiempo real
  • Biosorción y biolixiviación mediante microorganismos para acumular selectivamente elementos específicos de tierras raras a partir de minerales de baja calidad.
  • Desarrollo de ligandos y extractantes altamente selectivos mediante química computacional
  • Procesos de separación electroimpulsados ​​que utilizan campos eléctricos para mejorar la transferencia de masa.
  • Extracción en fase sólida utilizando polímeros funcionalizados para la captura de elementos específicos
  • Procesos de reciclaje integrados para recuperar tierras raras de los desechos electrónicos mediante extracción avanzada con solventes.
Related to: solvent extraction, rare-earth separation, liquid-liquid extraction, hydrometallurgy, Ames laboratory, frank spedding, lanthanides, partition coefficient, mixer-settler, d2ehpa.

Contexto histórico

Extracción con disolventes para la separación de tierras raras

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1948
1950

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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