Desde a proposição da tabela periódica de Mendeleiev, a separação de elementos lantanídeos tem sido um dos problemas mais espinhosos nos campos da química e mineração. A diferença de raio iônico entre os 15 elementos lantanídeos é de apenas ~0,01 Å, cerca de sete milionésimos da espessura de um fio de cabelo. A equipe do Instituto de Geoquímica de Guangzhou da Academia Chinesa de Ciências publicou resultados inovadores na revista Nature, alcançando pela primeira vez uma triagem atômica precisa de elementos lantanídeos, com seletividade de 100%. Esta descoberta tecnológica, avaliada como "revolucionária", oferece soluções completamente novas para a fabricação de terras raras de alta pureza e o tratamento de resíduos nucleares.

O "dilema da separação" secular

Os elementos lantanídeos, conhecidos como "glutamato monossódico industrial", são amplamente utilizados em telefones celulares, ímãs permanentes de turbinas eólicas, sistemas de orientação a laser, imageamento médico e outras áreas de ponta. Seus 15 membros possuem propriedades físicas e químicas distintas, como óticas, elétricas, magnéticas e catalíticas, sendo materiais essenciais e insubstituíveis para indústrias de alta tecnologia.

Contudo, por mais de um século, a extração de lantanídeos de alta pureza tem sido obstruída pela "contração lantanídica" – a diferença média do raio iônico entre elementos adjacentes é de apenas cerca de 0,01 Å, tornando suas propriedades químicas extremamente semelhantes e dificultando a separação precisa.

A tecnologia tradicional de extração por solvente depende de extração em cascata multinível, com alto consumo de energia e grande descarga de efluentes. Para cada tonelada de óxido de terra rara separada, geralmente são consumidas várias toneladas de produtos químicos e gerada grande quantidade de resíduos radioativos. O princípio da extração por solvente envolve dissolver os lantanídeos em solução ácida, e depender da "dança" molecular dos extratores para selecioná-los para a fase orgânica. Embora este método tenha melhorias significativas desde sua industrialização na década de 1960, ele sempre permaneceu no nível das "diferenças de afinidade química", sem conseguir realizar uma verdadeira triagem física por tamanho, muito menos uma precisão atômica.

Com o crescimento explosivo da demanda por metais críticos nas áreas de novas energias e eletrônicos de informação, o modelo tradicional de separação "em cascata multinível e purificação gradual" já não consegue atender às necessidades. A indústria necessita urgentemente de uma nova tecnologia que possa realizar a separação precisa de lantanídeos em escalas molecular e até atômica.

Avanços em tecnologia de membranas, seletividade de 100%

Da "extração química" à "triagem atômica"

O novo caminho de separação projetado pela equipe de pesquisa envolve a construção de materiais de membrana com nanocanais de alta precisão, utilizando um mecanismo de triagem iônica para realizar uma separação atômica precisa de elementos lantanídeos com propriedades muito semelhantes, alcançando seletividade de 100%, quebrando o paradigma da separação tradicional baseada em diferenças de afinidade química.

Na estratégia de separação, os avanços mais recentes já demonstraram viabilidade: sob o sistema de extração, as porcentagens de permeação dos elementos lantanídeos aumentaram significativamente, e a cinética de permeação foi acelerada, com uma porcentagem de permeação de até 95% em 24 horas. Isto indica que a triagem baseada no tamanho dos canais pode separar completamente íons de diferentes tamanhos em lados opostos.

Reconhecimento preciso cooperativo entre material de membrana e ligante

Trabalhos de pesquisa subsequentes enriqueceram ainda mais os caminhos de triagem: imitando o mecanismo de adsorção de íons em fileira única dos canais de cálcio biológicos, foram construídas estruturas de canal capazes de adsorver os íons alvo em fileira única. O material adsorvente foi diretamente convertido em uma membrana separadora, que pode tanto permear rapidamente os íons metálicos alvo quanto repelir com precisão íons concorrentes. Isto rompe, em princípio, o gargalo da baixa compatibilidade entre a separação por membrana tradicional e os íons de metais pesados.

Simultaneamente, através do design da coordenação entre ligantes quelantes específicos e íons metálicos, os elementos podem ser separados com precisão em condições amenas, fornecendo novas ferramentas moleculares para o enriquecimento eficiente de lantanídeos. Esses dois caminhos juntos formam uma "garantia dupla de reconhecimento molecular + triagem em nanoespaço confinado", garantindo que cada íon seja "precisamente identificado" no momento em que atravessa a membrana.

Capacidade de expansão para resíduos nucleares e tarefas de separação complexas

A nova estratégia também apresenta forte potencial de expansão no tratamento pós-processamento de combustível nuclear usado e na separação de terras raras. Através de um simples acoplamento de oxidação química com triagem GOM e extração por solvente, a separação em grupo eficiente de elementos lantanídeos e actinídeos pode ser alcançada em condições de alta acidez. Em soluções fortemente ácidas, os actinídeos são oxidados em íons actinilo lineares, enquanto os lantanídeos permanecem esféricos, apresentando diferenças significativas de tamanho e configuração espacial, permitindo a triagem através do tamanho específico dos canais GOM. Pode-se esperar que a estratégia de separação seja adicionalmente modificada e expandida para realizar outras tarefas de separação no ciclo do combustível nuclear.

De materiais de alta pureza ao tratamento de resíduos nucleares

Transformando a fabricação de terras raras de alta pureza para reduzir custos e aumentar a eficiência

Indústrias como a de materiais fluorescentes, cristais de laser e alvos de terras raras de alta pureza, baseadas em elementos lantanídeos, têm sido limitadas por barreiras de pureza. A tecnologia de triagem atômica pode elevar a pureza de recuperação de íons lantanídeos específicos a níveis nunca antes alcançados, lançando as bases para a fabricação de novos materiais de alta precisão. A introdução de etapas de triagem precisa no processo hidrometalúrgico de terras raras pode encurtar substancialmente o fluxo tradicional de extração multinível, reduzindo o consumo de ácido e base e a emissão de resíduos radioativos, alcançando "metalurgia verde" e "utilização de alto valor agregado".

Superando o "desafio de classe mundial" no tratamento de resíduos nucleares

No pós-processamento de combustível nuclear usado, a separação de actinídeos e lantanídeos é um núcleo difícil (seus comportamentos químicos são extremamente semelhantes). Ao oxidar elementos actinídeos como urânio, netúnio e plutônio para íons lineares, formando uma diferença de configuração com os íons lantanídeos esféricos, e combinando com membranas separadoras de controle de tamanho de canal preciso, espera-se atingir o requisito de pureza de separação de uma parte por milhão. Isto forneceria suporte técnico chave para a redução de volume de resíduos líquidos de alta atividade e disposição geológica, reduzindo significativamente os riscos ambientais de longo prazo dos resíduos nucleares.

Apoio à segurança estratégica de metais críticos e utilização eficiente de recursos

A tecnologia de triagem atômica também pode ser aplicada a sistemas de separação de elementos altamente similares, como a separação cooperativa entre lantanídeos e extração de isótopos especiais, expandindo-se para a preparação ultrapura de metais críticos como gálio, índio, zircônio, háfnio, tântalo e nióbio. Ao fundir materiais adsorventes com separação por membrana, espera-se reconstruir o fluxo de extração de recursos – transformando-o de "extrair tudo primeiro e separar depois" para "triagem e enriquecimento simultâneos", alcançando a estabilidade da cadeia de suprimentos de metais críticos e a maximização da utilização de recursos.