Proces pe bază de apă separă zirconiul de hafniu cu o eficiență de cinci ori mai mare
Cercetătorii de la Universitatea de Stat din Oregon au patentat un procedeu îmbunătățit și mai puțin dăunător pentru mediu de separare a două metale esențiale în formă pură pentru industria semiconductorilor și cea a energiei atomice. Echipa din cadrul Colegiului de Științe al universității a folosit o soluție pe bază de apă în locul unui solvent organic toxic pentru a separa zirconiul, vital în producția de energie nucleară, de hafniu, crucial atât pentru energia nucleară, cât și pentru fabricarea semiconductorilor. Rezultatele au fost publicate în Journal of the American Chemical Society.
Studiul, condus de asistentul de cercetare doctorand Alex Roseborough și de May Nyman, profesor de chimie, a explorat una dintre cele mai dificile separări din tabelul periodic, provocată de similitudinea dintre cele două elemente. Ele sunt atât de strâns înrudite încât mineralul silicat de zirconiul (ZrSiO4), cunoscut sub numele de zircon, conține aproape întotdeauna urme de hafniu; exploatarea zirconului este principala sursă economică pentru ambele elemente. Deși sunt aproape identice, separarea unuia de celălalt la puritate ridicată este necesară pentru microelectronică și reactoarele nucleare.
Doar două facilități din Statele Unite — ATI Specialty Alloys & Components din Albany, Oregon, și Westinghouse Electric din Ogden, Utah — sunt echipate să realizeze această separare la scară industrială, fiecare folosind anual milioane de kilograme de solvent organic inflamabil. Procesul de extracție lichid-lichid al acestor fabrici, standardul actual în domeniu pentru această separare, este intensiv din punct de vedere energetic și duce la pierderea a aproximativ 4% din solvent în aer sub formă de poluare nocivă, notează cercetătorii.
Procedeul dezvoltat la Universitatea de Stat din Oregon se bazează însă pe precipitare: ionii dizolvați cu sarcini opuse se atrag reciproc pentru a forma un solid insolubil. Procesul folosește o soluție apoasă care combină zirconiul natural, cu impuritatea sa de hafniu de câteva procente; liganzi tiocianat, care se leagă de ionii de hafniu și zirconiul; și colina, o substanță chimică ieftină și netoxică folosită frecvent ca aditiv alimentar. Rezultatul acestui proces cu consum redus de energie, care nu implică niciun solvent organic, este precipitarea speciilor bogate în hafniu, cu un factor de separare mult mai ridicat decât standardul industrial actual.
După cum sugerează numele, factorul de separare este o măsură a capacității unui proces de a separa două componente dintr-un amestec. O valoare mai mare decât unu indică faptul că separarea este posibilă; cu cât numărul este mai mare, cu atât procesul este mai bun. Standardul industrial pentru separarea zirconiul-hafniu este între șase și șapte, iar procesul dezvoltat la OSU a atins un scor maxim de 33.
„Descriem în detaliu la nivel atomic modul în care funcționează separarea și cum separările bazate pe precipitare pot concura cu extracția cu solvent”, a declarat Nyman. „Mai avem întrebări la care să răspundem și obiective de atins, dar aceste descoperiri sunt cu adevărat incitante și cu impact, mai ales în condițiile în care societatea trebuie să se îndrepte spre o generare de energie electrică fără carbon și cu densitate ridicată, inclusiv energia nucleară.”
