Estrazione efficiente di attinidi tetravalenti da soluzioni di acido nitrico mediante un liquido ionico task-specific funzionalizzato con tri-N-ottil metil ammonio N-dodecil solfato

Pulire l’energia nucleare

L’energia nucleare può produrre grandi quantità di elettricità senza emettere gas serra, ma lascia alle spalle residui altamente radioattivi. Alcuni metalli nei rifiuti, come il plutonio e l’uranio, sono sia pericolosi sia preziosi. Questo studio esplora un nuovo liquido più sostenibile in grado di estrarre metalli specifici da soluzioni radioattive aggressive, contribuendo al recupero di materiali utili e riducendo l’onere a lungo termine dei rifiuti nucleari.

Un liquido detergente su misura

I ricercatori hanno progettato un particolare liquido ionico “task-specific” — un sale liquido a temperatura ambiente — composto da grandi ioni organici. A differenza dei solventi comuni a base di composti organici volatili, i liquidi ionici evaporano pochissimo e possono essere modificati chimicamente per compiti specifici. Qui il team ha legato un gruppo simile a un detergente, il dodecil solfato, a uno ione ammonio ingombrante, ottenendo un fluido denso di colore paglierino. Questa coda detergente è simile agli agenti pulenti usati in shampoo e saponi, ma in questo caso è ancorata in modo permanente al liquido ionico, trasformando l’intera molecola in un potente estrattore per ioni metallici disciolti in acqua acida.

Come cattura i metalli nucleari

Il combustibile nucleare esausto viene tipicamente dissolto in acido nitrico, formando un mix di diversi ioni metallici e specie molecolari. Il nuovo liquido ionico è stato testato su tre attinidi chiave: plutonio in stato +4, uranio in stato +6 e americio in stato +3. Regolando con cura la forza dell’acido, gli autori hanno mostrato che il plutonio cambia forma — da ioni semplici caricati a complessi nitrato più complessi — e questi cambiamenti influenzano fortemente come si trasferisce nel liquido ionico. A livelli medi‑alti di acidità, il liquido forma complessi stabili con unità contenenti plutonio, estraendole nella fase ionica, mentre lascia la maggior parte dell’americio nella fase acquosa e assorbe solo quantità moderate di uranio.

Scelta dei preferiti: plutonio rispetto a uranio e americio

Un risultato centrale è la notevole selettività del liquido. In condizioni ottimizzate, il plutonio è stato estratto con una forza migliaia di volte superiore rispetto all’uranio e fino a centomila volte rispetto all’americio. Questo supera di gran lunga molti sistemi solventi convenzionali impiegati oggi nel riprocessamento nucleare. Gli autori ricondussero questo comportamento al modo in cui i gruppi testina caricati del liquido ionico e le code a base di solfato avvolgono i diversi complessi nitrato di plutonio, creando arrangiamenti di legame molto favorevoli. L’uranio, che forma geometrie diverse in soluzione, si adatta in modo meno compatto, mentre l’americio interagisce poco, rimanendo per lo più nella fase acquosa. Questa “preferenza” naturale permette di separare il plutonio dagli altri attinidi con un processo liquido‑liquido relativamente semplice.

Lento ma forte, e riutilizzabile

Il nuovo liquido è viscoso, il che rallenta la diffusione dei metalli attraverso di esso; perciò ogni passaggio di estrazione richiede circa un’ora — più a lungo rispetto ai solventi convenzionali più leggeri. Tuttavia, il legame è fortemente esotermico, il che significa che una volta catturati plutonio o uranio, i complessi risultano abbastanza stabili. Il team ha anche studiato come recuperare i metalli dal liquido ionico, un passaggio fondamentale per il riciclo. Semplici variazioni di acidità non sono state sufficienti, ma soluzioni miti di acido ossalico o carbonato di sodio, applicate in più contatti, hanno potuto rimuovere quasi tutto il plutonio e l’uranio caricati. Il liquido ionico è poi stato riutilizzato per almeno cinque cicli di estrazione‑stripping con solo una perdita di prestazioni minima.

Resistere alle radiazioni — e i suoi limiti

Poiché i flussi di rifiuti nucleari sono intensamente radioattivi, il solvente deve sopportare il bombardamento di particelle ad alta energia. Gli autori hanno esposto il liquido ionico a dosi molto elevate di raggi gamma e hanno osservato che, sebbene il suo potere estrattivo diminuisse gradualmente — di circa un terzo fino a quasi la metà per l’uranio alle dosi più alte — lo scheletro molecolare principale è rimasto intatto secondo misure IR e NMR. Ci si attende una certa degradazione in ammine più piccole, idrocarburi e frammenti solfato, ma il materiale ha continuato a funzionare in modo abbastanza efficace anche dopo trattamenti severi.

Perché questo è importante per i rifiuti nucleari

Per un pubblico non specialista, il messaggio chiave è che i ricercatori hanno creato un “solvente su misura” altamente selettivo e relativamente robusto in grado di estrarre il plutonio dai rifiuti nucleari acidi più efficacemente di molte tecnologie correnti, usando un liquido che non evapora né prende fuoco facilmente. Favorendo il plutonio rispetto all’uranio e all’americio, e operando in condizioni simili a quelle dei rifiuti ad alto livello reali, questo liquido ionico potrebbe aiutare futuri schemi di riciclo a recuperare materiali strategici e a ridurre la radioattività a lungo termine da stoccare. Rimangono sfide — in particolare accelerare il processo e migliorare la resistenza alle radiazioni — ma il lavoro indica una direzione di chimica più pulita e sostenibile per gestire i residui più difficili dell’energia nucleare.

Citazione: Chowta, S.D., Sengupta, A. & Mohapatra, P.K. Efficient extraction of tetravalent actinide from nitric acid feeds using tri-N-octyl methyl ammonium N-dodecyl sulphate functionalized task-specific ionic liquid. npj Mater. Sustain. 4, 14 (2026). https://doi.org/10.1038/s44296-025-00094-4

Parole chiave: liquidi ionici, rifiuti nucleari, separazione del plutonio, estrazione con solvente, chimica degli attinidi