CN102895877B - 一种镉浓缩同位素的阴离子交换纯化方法 - Google Patents

Abstract

一种镉浓缩同位素的阴离子交换纯化方法，该方法包括：1)将含镉浓缩同位素氧化物经盐酸完全溶解，再用0.24～0.60mol/L的盐酸稀释后装入离子交换柱，采用梯度淋洗至杂质元素完全流出后，再用纯水洗脱，至Cd出峰达到一定强度后改用浓度为1～5％(v/v)的硝酸洗脱，收集含Cd的洗脱液；2)将收集的Cd洗脱液低温加热亚沸浓缩至近干得到镉盐结晶物，冷却后加入纯水溶解该镉盐结晶物，向溶液中加入碳酸氢铵至pH＝7～8；静置后用双层定量滤纸过滤，并用纯水洗涤，然后将沉淀置于烘箱中，80℃下烘干后将沉淀转移至铂金坩埚中，盖上铂金坩埚盖后置于马弗炉中500℃下灼烧1h，冷却得到氧化镉产品。该方法简单、实用，纯化后的镉氧化物纯度高。

Description

一种镉浓缩同位素的阴离子交换纯化方法

技术领域

本发明涉及一种镉浓缩同位素的阴离子交换纯化方法。

背景技术

镉是一种吸收中子的优良金属，制成镉棒可在原子反应炉内减缓核子连锁反应速率，而且在锌-镉电池中颇为有用。通常情况下，经浓缩得到的镉浓缩同位素氧化物中含有Na、Mg、Al、Ca、Fe、Ni、Co、Cu、Ti、V、Pb、Zn、Sn等多种杂质，需要进一步纯化。离子交换法是去除水溶液中的离子态杂质最普遍的方法，其中的阴离子交换法借助于固体离子交换剂中的阴离子与稀溶液中的阴离子进行交换，从而达到提取或去除溶液中某些离子的目的。因为镉在一定浓度的盐酸介质下以镉氯络阴离子形态存在，经强碱性阴离子交换树脂能有效地将镉氯络阴离子交换于树脂上，从而实现镉与其他杂质元素的有效分离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镉浓缩同位素的阴离子交换纯化方法，通过该方法除去杂质元素，进而制得纯度达4N5(99.995％)的Cd同位素的氧化物产品。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种镉浓缩同位素的阴离子交换纯化方法，该方法包括以下步骤：

(1)将离子交换柱与ICP-MS在线联机，将含镉氧化物经盐酸完全溶解，用上柱用盐酸溶液稀释后装入离子交换柱，然后用上柱用的盐酸溶液进行洗脱，经检测至Na、K、Mg、Al、Ca、Fe、Ni、Co、Cu等的阳离子杂质完全流出后，改用0.06mol／L盐酸洗脱30min，然后用0.03mol／L盐酸洗脱至Pb、Zn完全流出，大部分的Sn流出，再用纯水洗脱，待发现洗脱液中Cd的浓度为20ng／mL后停止ICP-MS在线监测，并改用浓度为1～5％(v／v)的硝酸洗脱，收集含Cd的洗脱液，至Cd的检测浓度<0.2μg／mL，停止洗脱液的收集；

(2)将收集的Cd洗脱液低温加热亚沸浓缩，同时用高纯氮气流吹气加快水蒸气的蒸发，至浓缩近干得到镉盐结晶物，冷却后加入少量纯水溶解该镉盐结晶物，然后向得到的溶液中缓慢加入碳酸氢铵溶液至pH=7～8；静置后用双层定量滤纸过滤，并用纯水洗涤沉淀至滤液中不含氯离子，然后将沉淀连同漏斗置于烘箱中，80℃下烘干后将沉淀转移至铂金坩埚中，盖上铂金坩埚盖后置于马弗炉中500℃下灼烧1h，冷却得到氧化镉产品。

本发明的离子交换柱中使用的树脂为201×4强碱型阴离子交换树脂，粒径为0.3～0.8mm。本发明在步骤(1)中溶解镉氧化物所使用的盐酸为盐酸(1+2)。所述上柱用的盐酸溶液的浓度优选为0.24mol／L、0.36mol／L、0.42mol／L或0.60mol／L，用上柱用的盐酸溶液淋洗离子交换柱可以将Na、K、Mg、Al、Ca、Fe、Ni、Co和Cu等完全分离除去。改用0.06mol／L和0.03mol／L的盐酸溶液对离子交换柱进行梯度淋洗可以将Pb、Zn与Cd之间完全相互分离，并将大部分的Sn分离除去。选择浓度为1～5％(v／v)的硝酸溶液可以将离子交换柱中98％以上的Cd洗脱下来。

含Cd洗脱液经浓缩后得到镉盐结晶物，该镉盐结晶物需要用少量的水进行溶解得到镉盐溶液。而镉盐溶液的体积过小，杂质浓度则较高，随Cd的沉淀而发生杂质共沉淀影响Cd的纯度；体积过大，则会导致Cd沉淀的溶解损失而影响产品回收率。因此，对于提纯1克CdO而言，镉盐结晶物溶解后稀释至约100mL为宜。

本发明选用碳酸氢铵作为镉离子的沉淀剂，调节合适的pH将镉转化为碳酸镉沉淀，然后对获得的碳酸镉沉淀进行热分解来制备氧化镉产品。经试验表明碳酸氢铵为最佳沉淀剂，当溶液的pH达到7～8时，镉的沉淀效率可以达到99.97％以上，能将镉完全沉淀。

本发明的优点在于：

本发明实现了Cd基体的纯化，并对纯化后的Cd基体溶液采用适宜的沉淀剂沉淀，并通过热分解法制得纯度达4N5的Cd同位素的氧化物产品。本发明方法简单、实用，纯化后的镉氧化物纯度高。

附图说明

图1为本发明实施例1中各元素的质量色谱图。

具体实施方式

实施例1

选择四种杂质元素Zn、Ti、V、Sn进行与Cd基体分离的初步试验。

选用浓度为0.36mol／L的盐酸溶液配制10mL溶液，该溶液中Cd的浓度为7.4mg／mL，杂质元素Zn、Ti、V、Sn的浓度均为10μg／mL。将该溶液以1.2mL／min的流速泵入经处理待用的试验用离子交换小柱，依次采用0.36mol／L，0.06mol／L，0.03mol／L的盐酸溶液及纯水进行梯度洗脱，在整个过程中离子交换柱均与ICP-MS仪联机进行在线监测。首先测定待分离杂质元素的标准溶液，然后切换转换阀测定离子交换柱流出液，实时监测待分离的杂质元素及Cd基体。Ti⁴⁸、V⁵¹、Zn⁶⁶、Cd¹¹²、Sn¹¹⁸的质量色谱图如图1所示。

从图1中可以看出，先用0.36mol／L的盐酸洗脱，进样约7min后监测到Ti、V的质谱信号，而未监测到Cd、Zn、Sn的信号，此后Ti、V的质谱峰强度逐渐增强然后减弱，至约23min后，Ti、V的质谱信号强度减小至空白噪声水平，说明Ti、V杂质己分离除去。23min后改用0.06mol／L的盐酸继续洗脱，至约31min处监测到Zn、Sn的质谱信号，约50min处改用0.03mol／L的盐酸洗脱，直至约63min，观察发现此过程中Zn、Sn的信号强度由弱到强，然后逐渐减弱至接近空白噪声水平，而Sn的拖尾比Zn更长。此过程中一直未监测到Cd信号，说明Cd很好地被树脂交换而未被洗脱。约63min后改用纯水洗脱，至约69min处观察到Cd的信号峰，此后Cd信号强度逐渐增强，说明Cd己被水洗脱下来，并且Cd中其它杂质元素在此之前己很好地被洗脱除去。监测5000s后继续监测Zn⁶⁶、Cd¹¹²、Sn¹¹⁸，观察到Zn⁶⁶己降至空白水平，说明己完全去除；而Sn¹¹⁸仍有较高强度，拖尾部分进入Cd¹¹²溶液中，说明少量的Sn¹¹⁸未能与Cd¹¹²完全分离。

实施例2

¹¹²CdO的提纯，提纯步骤为：

1)样品的溶解

将约1g纯度为3N0的¹¹²Cd浓缩同位素氧化物样品置于洁净烧杯中，加入略多于根据氧化镉与盐酸的化学反应方程式计算的盐酸(1+2)，低温加热令其缓慢溶解。之后用与上柱酸度相同的盐酸溶液稀释至100mL左右待用。

2)上柱

将经与上柱酸度相同盐酸溶液平衡，且流出洗脱液中杂质经检查合格的制备用离子交换柱与ICP-MS在线联机正常后，用蠕动泵以5mL／min的流速将上述溶液泵入交换柱中，用10mL上柱用的盐酸洗涤烧杯，该洗涤液也泵入交换柱中，再重复洗涤操作2次。

3)杂质的洗脱

被分离样品上柱后，先用上柱用的盐酸洗脱液进行洗脱，至常见阳离子杂质完全流出后改用0.06mol／L的盐酸洗脱，然后用0.03mol／L的盐酸洗脱，再用纯水洗脱，待发现Cd开始出峰并达到一定强度后停止ICP-MS在线监测。

4)Cd基体洗脱液的收集

Cd¹¹²出峰并达到一定强度后换用1～5％(v／v)的HNO₃进行Cd的洗脱，流出液完全切换至收集Cd的烧杯中，开始Cd的收集。在收集Cd的过程中，收集500mL后开始对洗脱流出液中的Cd浓度进行检测，以判断Cd是否洗脱完全，而后每收集200mL即进行一次Cd的检测，直至Cd的检测浓度<0.2μg／mL，则可停止洗脱液的收集。同时也对所有收集在一起的Cd洗脱液取样进行Cd的检测，测算洗脱液中Cd的总量，以确认98％以上的Cd己洗脱至收集的洗脱液中。

5)Cd洗脱液的浓缩、Cd的沉淀及CdO的制备

将收集的Cd洗脱液低温加热亚沸浓缩，同时用高纯氮气流吹气加快水蒸气的蒸发，至浓缩近干使镉盐结晶，以尽可能赶尽硝酸。待烧杯冷却后加入少量纯水溶解结晶并转移至小烧杯中，用纯水多次洗涤浓缩烧杯内壁，洗液也转至小烧杯中，最终的待沉淀液体积在100mL左右即可缓慢加入碳酸氢铵溶液进行Cd的沉淀，加入碳酸氢铵沉淀剂溶液的量可根据相应的化学反应方程式计算，实际沉淀时加入的量要多一些，以pH试纸监测至pH=8时则停止加入沉淀剂。沉淀静置后用双层定量滤纸过滤，用纯水洗涤沉淀至滤液无氯离子为止(用硝酸银检测)。然后将沉淀连同漏斗置于烘箱中，80℃下烘干后将沉淀转移至铂金坩埚中，盖上铂金坩埚盖后置于马弗炉中500℃下灼烧1h，CdO经冷却后转移至适宜的包装瓶内。

6)产品纯度及回收率

用ICP-MS法对提纯后的产品进行了分析，并与提纯前原材料中杂质含量进行对比。提纯后的产品一共进行了62个杂质元素分析，此处列出其中的15个杂质，相关数据如表1所示，未列出的杂质元素含量<1μg／g。¹¹²CdO产品回收率为95.55％。

表1¹¹²CdO提纯前后分析结果对比(单位：μg／g)

实施例3

¹¹⁴CdO的提纯，称取约1g纯度为2N7的¹¹⁴Cd浓缩同位素氧化物样品，按照实施例2中的步骤1)～5)进行提纯。用ICP-MS法对提纯后的产品进行分析，并与提纯前原材料中杂质含量进行对比。提纯后的产品一共进行了62个杂质元素分析，此处列出其中的15个杂质，相关数据如表2所示，未列出的杂质元素含量<1μg／g。¹¹⁴CdO产品回收率为96.80％。

表2¹¹⁴CdO提纯前后分析结果对比(单位：μg／g)

Claims (4)

1.一种镉浓缩同位素的阴离子交换纯化方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)将离子交换柱与ICP-MS在线联机，将含镉氧化物经盐酸完全溶解，用上柱用盐酸溶液稀释后装入离子交换柱，然后用上柱用的盐酸溶液进行洗脱，经检测至Na、K、Mg、Al、Ca、Fe、Ni、Co、Cu的阳离子杂质完全流出后，改用0.06mol／L盐酸洗脱30min，然后用0.03mol／L盐酸洗脱至Pb、Zn完全流出，大部分的Sn流出，再用纯水洗脱，待发现洗脱液中Cd的浓度为20ng／mL后停止ICP-MS在线监测，并改用浓度为1～5％(v／v)的硝酸洗脱，收集含Cd的洗脱液，至Cd的检测浓度<0.2μg／mL，停止洗脱液的收集；

(2)将收集的Cd洗脱液低温加热亚沸浓缩，同时用高纯氮气流吹气加快水蒸气的蒸发，至浓缩近干得到镉盐结晶物，冷却后加入少量纯水溶解该镉盐结晶物，然后向得到的溶液中缓慢加入碳酸氢铵溶液至pH=7～8；静置后用双层定量滤纸过滤，并用纯水洗涤沉淀至滤液中不含氯离子，然后将沉淀连同漏斗置于烘箱中，80℃下烘干后将沉淀转移至铂金坩埚中，盖上铂金坩埚盖后置于马弗炉中500℃下灼烧1h，冷却得到氧化镉产品。

2.根据权利要求1所述的镉浓缩同位素的阴离子交换纯化方法，其特征在于：所述步骤(1)中溶解镉氧化物所使用的盐酸为盐酸(1+2)。

3.根据权利要求1所述的镉浓缩同位素的阴离子交换纯化方法，其特征在于：所述离子交换柱中使用的树脂为201×4强碱型阴离子交换树脂，粒径为0.3～0.8mm。

4.根据权利要求1所述的镉浓缩同位素的阴离子交换纯化方法，其特征在于：在步骤(1)中所述上柱用的盐酸溶液的浓度为0.24mol／L、0.36mol／L、0.42mol／L或0.60mol／L。