在石油精炼、制药、食品加工、有用金属的回收利用等领域，溶剂萃取法长期以来一直被用作从溶液中提取特定成分的方法。这是一种使用两种互不相溶的液体（如水和油）来确定物质更易溶于哪一种的简单的分离方法。
图1 溶剂萃取法的常规方法及本研究的新视角
阐明超分子集合体在金属离子分离中的作用是本研究的新角度（供图：JAEA）
当将仅溶于油的萃取剂添加到油水混合液中时，目标金属离子会通过化学键合变成金属离子络合物并仅保留在油中。溶剂萃取法在使用中，萃取剂和萃取目标之间的关系非常重要，而事实上，多种金属离子和萃取剂分子的结合形成了纳米级超分子集合体，这种集合体也受油相成分的控制。
日本原子能研究开发机构物质科学研究中心的Micheau Cyril研究员、上田祐生研究员、元川龙平研究主干、综合科学研究机构的阿久津和宏副主任技师、高能加速器研究机构的山田悟史副教授、山田雅子助教等与法国原子能和替代能源委员会、法国国家科学研究中心的国际联合研究中明确了上述现象。相关成果已刊登在《Journal of Molecular Liquids》上。元川研究主干表示：“研究发现了与以往完全不同的系统，将有望在制药等各个领域实现更高效的分离和提取”。
在进行放射性废物减容化的研究过程中，研究团队为了分离用于催化剂和永磁体的钯和钕2种金属，使用了分离稀土和铂族金属的丙二酰胺作为萃取剂，进行溶剂萃取法后发现了一个奇怪的现象：当使用甲苯作为油相时，只能萃取出钯；而使用庚烷时，则能同时萃取出钯和钕。此外，当使用甲苯时，钯的萃取速度变得非常慢。换句话说，通过改变油相所使用的溶剂类型，可以改变可萃取的金属物质和萃取速度。
为了搞清楚造成这种情况的原因，研究团队进行了可以分析纳米级结构的X射线小角散射测量。结果表明，丙二酰胺在甲苯中形成了由2～3个分子汇聚而成的小型超分子集合体，只有钯离子能进入其内袋，而钕离子则难以进入。这种超分子集合体的尺寸识别效应影响了钯和钕的选择性。另一方面，在庚烷中会形成约100个分子的丙二酰胺聚集而成的大集合体。在这种情况下，则无法区分钯和钕。为了进一步研究界面的微观状态，研究团队使用安装在J-PARC的中子反射仪（软界面分析仪）进行了分析。结果显示，当使用庚烷作为油相时，丙二酰胺在界面附近形成了致密层，而当使用甲苯作为油相时，丙二酰胺在界面处并未密集，而是在离界面数纳米的区域形成了一个延伸的稀薄层。该稀薄层被认为减少了钯和丙二酰胺在界面处碰撞的可能性，从而减慢了萃取速度。
本此研究明确了溶剂萃取过程中超分子集合体的结构，并首次揭示了该结构对金属离子分离的影响。此外，这一发现为传统溶剂萃取方法增加了超分子集合体视角，提出了新型金属离子分离方法，以及设计出新萃取剂的可能性。
本文基于日本原子力研究开发机构（JAEA）的新闻稿内容撰写而成。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Journal of Molecular Liquids
论文：Organization of ｍalonamides from the interface to the organic bulk phase
URL：doi.org/10.1016/j.molliq.2024.124372
