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Estrazione con solvente per la separazione delle terre rare

1940
  • Frank Spedding
Configurazione di estrazione con solvente in laboratorio per la separazione di elementi di terre rare nell'ingegneria chimica.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Separazione chimicamente simile elementi delle terre rare is notoriously difficult. The primary industrial metodo 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.

Il processo si basa sul principio della ripartizione differenziale. Gli elementi delle terre rare, tipicamente come ioni trivalenti ([latex]RE^{3+}[/latex]) in una soluzione acquosa acida, vengono messi a contatto con un solvente organico (come il cherosene) contenente un estrattore. Gli estrattori comuni includono composti organofosforici come il tributilfosfato (TBP) o l'acido di-(2-etilhexil)fosforico (D2EHPA). L'estrattore forma un complesso con gli ioni delle terre rare, rendendoli solubili nella fase organica. A causa del 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.

In un sistema controcorrente, le fasi acquosa e organica fluiscono in direzioni opposte attraverso una serie di stadi (miscelatori-decantatori). A ogni stadio, gli elementi si ridistribuiscono tra le due fasi in base al loro coefficiente di ripartizione. Questa cascata multistadio amplifica il piccolo fattore di separazione del singolo stadio, consentendo la separazione finale degli elementi di terre rare adiacenti fino a livelli di purezza superiori al 99,99%. La scelta dell'estratto, il pH della fase acquosa e la temperatura sono parametri critici che vengono attentamente controllati per ottimizzare la separazione di elementi specifici. Questo metodo ha sostituito le precedenti e molto più laboriose tecniche di cristallizzazione frazionata e ha consentito la produzione su larga scala di terre rare necessarie per la tecnologia moderna.

UNESCO Nomenclature: 3305
– Chemical engineering

Tipo

Processo chimico

Interruzione

Substancial

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • scoperta dei liquidi immiscibili
  • Legge di distribuzione di Nernst che descrive la ripartizione
  • sviluppo della cristallizzazione frazionata, un metodo di separazione precedente e meno efficiente
  • sintesi di agenti complessanti organici
  • progressi nei principi di ingegneria chimica per processi multistadio

Applicazioni

  • industrial-scale production of high-purity elementi delle terre rare
  • riprocessamento nucleare per separare gli attinidi come il plutonio e l'uranio dai prodotti di fissione
  • idrometallurgia per l'estrazione di metalli come cobalto e nichel
  • purificazione di prodotti chimici e farmaceutici speciali

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • sistemi di estrazione basati su liquidi ionici per sostituire i solventi organici volatili, migliorando la sicurezza e la riciclabilità
  • estrazione di fluidi supercritici utilizzando CO2 per una separazione ecologica ed efficiente
  • estrazione con solvente a membrana per ridurre le dimensioni delle apparecchiature e il consumo energetico
  • automated microfluidic systems for rapid, small-scale separation and analysis
  • utilizzo di algoritmi di apprendimento automatico per ottimizzare i processi di estrazione multiparametrica in tempo reale
  • biosorbimento e biolisciviazione mediante l'uso di microrganismi per accumulare selettivamente specifici elementi di terre rare da minerali di bassa qualità
  • sviluppo di ligandi ed estrattori altamente selettivi mediante chimica computazionale
  • processi di separazione elettroguidati che utilizzano campi elettrici per migliorare il trasferimento di massa
  • estrazione in fase solida mediante polimeri funzionalizzati per la cattura mirata di elementi
  • processi di riciclaggio integrati per il recupero delle terre rare dai rifiuti elettronici mediante estrazione avanzata di solventi
Related to: solvent extraction, rare-earth separation, liquid-liquid extraction, hydrometallurgy, Ames laboratory, frank spedding, lanthanides, partition coefficient, mixer-settler, d2ehpa.

Contesto storico

Estrazione con solvente per la separazione delle terre rare

1940
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1940
1940
1945-01-01
1949
1940
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1948
1950

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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