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Extração por solvente para separação de terras raras

1940
  • Frank Spedding
Laboratory solvent extraction setup for rare-earth element separation in chemical engineering.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

A separação de elementos de terras raras quimicamente semelhantes é notoriamente difícil. O principal método industrial é a extração por solvente, especificamente a extração líquido-líquido em contracorrente. Este processo explora diferenças sutis nos coeficientes de partição dos íons de terras raras entre uma fase aquosa e uma fase orgânica imiscível contendo um agente complexante. Repetindo o processo em centenas de etapas, é possível isolar elementos individuais de alta pureza.

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.

Em um sistema de contracorrente, as fases aquosa e orgânica fluem em direções opostas através de uma série de estágios (misturadores-decantadores). Em cada estágio, os elementos se redistribuem entre as duas fases de acordo com seu coeficiente de partição. Essa cascata multiestágios amplifica o pequeno fator de separação de um único estágio, permitindo a separação de elementos de terras raras adjacentes com pureza superior a 99,99%. A escolha do extrator, o pH da fase aquosa e a temperatura são parâmetros críticos que são cuidadosamente controlados para otimizar a separação de elementos específicos. Esse método substituiu as técnicas anteriores de cristalização fracionada, muito mais trabalhosas, e possibilitou a produção em larga escala de terras raras necessária para a tecnologia moderna.

UNESCO Nomenclature: 3305
Engenharia química

Tipo

Processo Químico

Interrupção

Substancial

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • descoberta de líquidos imiscíveis
  • Lei de distribuição de Nernst que descreve a partilha
  • desenvolvimento da cristalização fracionada, um método de separação anterior e menos eficiente
  • síntese de agentes complexantes orgânicos
  • avanços nos princípios da engenharia química para processos de múltiplos estágios

Aplicações

  • produção em escala industrial de elementos de terras raras de alta pureza
  • reprocessamento nuclear para separar actinídeos como plutônio e urânio de produtos de fissão
  • Hidrometalurgia para extração de metais como cobalto e níquel.
  • purificação de produtos químicos especiais e farmacêuticos

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

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Related to: solvent extraction, rare-earth separation, liquid-liquid extraction, hydrometallurgy, Ames laboratory, frank spedding, lanthanides, partition coefficient, mixer-settler, d2ehpa.

Contexto histórico

Extração por solvente para separação de terras raras

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1949
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1948
1950

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

Princípios relacionados à invenção, inovação e tecnologia

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