Sporingsmekanismer for krystallisering i realtid

Forskere ved Interfacial Dynamics in Radioactive Miljøer og Materialer (IDREAM) Energy Frontier Research Center kvantificerede forbigående penta-koordinerede Al3+ -arter under krystallisationen af ​​gibbsit fra vandige aluminiumgeler i opløsninger af koncentreret natriumhydroxid. Forskningen viser, at koncentrerede elektrolytter i opløsning påvirker hydrogenbinding, ioninteraktioner, og koordineringsgeometrier i øjeblikket uforudsigelige måder.

Disse mekanistiske undersøgelser understøtter udviklingen af ​​nye procesflowark for at fremskynde behandlingen af ​​radioaktivt affald på to energiministerier. Yderligere, undersøgelserne kan give mindre energikrævende ruter til industriel aluminiumsproduktion.

Gibbsite (α-Al (OH) 3) er en vigtig mineralressource til industriel aluminiumsproduktion. Det er også til stede i store mængder i radioaktive affaldstanke på højt niveau på U.S. Department of Energy-steder i staten Washington og South Carolina. Traditionel behandling til enten aluminiumsproduktion eller behandling af radioaktivt affald er en energikrævende aktivitet. Behandling involverer opvarmning for at lette opløsningen af ​​gibbsit i stærkt alkaliske opløsninger af koncentrerede elektrolytter. Opvarmning efterfølges af afkøling for at tilskynde til nedbør fra disse kemisk ekstreme systemer.

Til behandling af radioaktivt affald, opløsnings- og nedbørstrinnene er ofte ret langsomme. Hvorfor? Delvis, begge processer involverer ændringer i koordinationsgeometrien af ​​det trivalente aluminium. I den faste fase, det er seks koordinater for at give en oktaedrisk geometri. For at gå ind i løsningsfasen, aluminiumionen skal ændre sin geometri til en fire-koordinat tetraedral form.

Anført af Jian Zhi Hu og Kevin Rosso, teamet gennemførte højfelt-magiske vinkelspinnende nukleare magnetiske resonansspektroskopiundersøgelser, der undersøgte ioninteraktioner, opløste organisation, og opløsningsmiddelegenskaber under gibbsitudfældning. Teamet indfangede systemdynamik i realtid som en funktion af eksperimentelle forhold, afslører tidligere ukendte mekanistiske detaljer.

Teamets arbejde viser, at koordinationsændringen ikke er en simpel overgang mellem tetraedriske til oktaedriske arter. Ændringen indebærer et mellemliggende penta-koordineret aluminiumsmetalcenter. Yderligere, disse arter er påvirket af subtile ændringer i opløst stof og opløsningsmiddelorganisation. Disse ændringer fører til gelnetværk, der undertiden kan lette dannelse eller opløsning af den faste fase. At forstå, hvordan aluminiumskoordination ændres i ekstreme miljøer, kan føre til effektiviseringer i aluminiumsproduktion og fremskynde behandling af radioaktivt affald.