CN103949157A - 一种壳聚糖冠醚复合材料对铀同位素的分离方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种壳聚糖冠醚复合材料对铀同位素的分离方法，包括用氯仿溶解冠醚后配制成冠醚溶液，用醋酸作溶剂配制成壳聚糖溶液。上述两溶液混合后于旋转蒸发仪上减压旋蒸得到壳聚糖冠醚复合材料。取壳聚糖冠醚复合材料干法装入固相萃取柱，用盐酸溶液充分淋洗后通过蠕动泵注入酸性铀酰溶液，使铀离子充分吸附于复合材料上。用自动收集器收集流出液，检测各流出液中铀同位素的丰度。本发明方法具有连续操作的优点，适应于大规模工业化生产，具有良好的应用前景。

Description

一种壳聚糖冠醚复合材料对铀同位素的分离方法
技术领域
本发明属于稳定性同位素分离技术领域，尤其涉及一种壳聚糖冠醚复合材料对铀同位素的分离方法。
背景技术
铀是原子序数为92的元素，是自然界中能够找到的最重元素。铀在自然界中存在三种天然同位素，分别为238U(丰度为99.275%)，235U(丰度为0.720%)和234U(丰度为0.005%)。其中235U是唯一天然可裂变核素，受热中子轰击时吸收一个中子后发生裂变释放出大量的能量和2-3个中子，引起链式核裂变。235U是一种非常有价值的可裂变物质，通常被提炼出来用作核武器的原料和核电站的燃料。235U含量大于3%可用作反应堆的燃料，大于90%可用作核武器的装料，因此必须通过铀同位素的分离来提高铀混合物中235U的含量。
铀同位素分离是通过各种技术手段获得某一铀同位素含量较高的一种分离方法。铀同位素分离在核燃料循环中占极重要的地位，目前常用气体扩散法和气体离心法来分离铀的同位素。铀同位素气体扩散法的基本原理是质量不同的气体分子的热运动速率与其质量二次方根成反比，将待分离的铀气体混合物流入分离膜装置后，235U的运动速率大于238U，235U穿过膜的几率大，其含量就会提高，从而达到235U的富集。气体离心法是将气态铀化合物通过高速离心后，235U由于质量较小富集于离心机的中心部位，而238U逐渐靠近离心机的边缘从而达到铀同位素的分离。气体扩散法和气体离心法均需要制备铀的气态化合物，原料受到限制，制备程序复杂。气体扩散法需要制备特定的分离膜，气体离心法需要高速离心机，且需要多台离心机多级串联，对设备的要求很高。
化学交换法是一种利用不同化合物分子或离子间的同位素交换反应来分离同位素的方法。化学交换法具有比能耗低，没有放射性污染，具有连续操作性，适合于低丰度铀同位素的富集。
壳聚糖是由甲壳素经浓碱水解脱乙酰基后生成的产物，化学名称是(1,4)-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖，是自然界中仅次于纤维素的第二大类天然高分子化合物。壳聚糖分子中含有大量的酰胺基及氨基，可以借助氢键或离子键形成具有类似网状结构的笼型分子，对金属离子起到稳定的配位作用。
冠醚是含有多个氧原子的大环化合物，其特点是能与离子络合。冠醚的空穴结构对离子有选择作用，随环的大小不同而与不同的金属离子络合。冠醚化合物的这种独特分子结构和选择性的配位能力，能与许多金属离子形成主-客体络合物。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种壳聚糖冠醚复合材料对铀同位素的分离方法。该方法设备简单、分离效率较高、运行成本经济。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种壳聚糖冠醚复合材料对铀同位素的分离方法，包括以下步骤：
（1）用氯仿溶解冠醚，配制质量体积比为10-20g/L的冠醚溶液200mL；
（2）用质量分数为15-20%的醋酸作溶剂，配制质量体积比为2.5-6.0g/L的壳聚糖溶液200mL；
（3）将步骤（1）和步骤（2）的溶液混合后于旋转蒸发仪上减压旋蒸，得到壳聚糖冠醚复合材料；
（4）取步骤（3）的壳聚糖冠醚复合材料0.5-1.0g，干法装入固相萃取柱，用0.01mol/L盐酸溶液充分淋洗后通过蠕动泵注入铀溶液，注入速度为1.0ml/min；
（5）用自动收集器收集每分钟的流出液，用同位素质谱仪检测每分钟流出液的铀同位素丰度，从而得到若干与自然丰度不同的铀同位素溶液。
进一步地，所述冠醚优选为苯并-15-冠-5或苯并-18-冠-6。
进一步地，所述壳聚糖的脱乙酰度为75-85%。
进一步地，所述铀溶液pH值为3.5-5.5，质量体积比为50-300mg/L。
本发明的有益效果是：利用本发明所制备的壳聚糖冠醚复合材料分离铀同位素，能大大提高该复合材料对铀的吸附能力，使铀酰离子在该材料上经多次吸附解析后实现铀同位素的有效分离。本发明所使用的铀原料为常规酸性铀酰溶液，来源广泛，价格合理，与气体离心法和气体扩散法相比，不受到铀盐物态的限制。本发明方法所使用的装置简单，分离效率高，无环境污染等问题，且具有连续操作的优点，适应于大规模工业化生产，具有良好的应用前景。
具体实施方式
本发明的原理如下：由于壳聚糖是一个线性高分子聚胺物质，当它在酸性介质中溶解以后，氨基即被质子化，表现出吸附金属阳离子的能力。壳聚糖与金属离子可以通过三种形式发生结合：离子交换、物理吸附和化学吸附。冠醚化合物具有独特的分子结构和选择性的配位能力，能与许多金属离子形成络合物。冠醚穴腔中的氧原子能与不同金属离子缔结成键，金属离子的尺寸与环状空穴的匹配程度对成键的强度有直接影响。
基于上述原理，本发明提供一种壳聚糖冠醚复合材料对铀同位素的分离方法，包括以下步骤：
（1）用氯仿溶解冠醚，配制质量体积比为10-20g/L的冠醚溶液200mL。
（2）用质量分数为15-20%的醋酸作溶剂，配制质量体积比为2.5-6.0g/L的壳聚糖溶液200mL。
（3）将步骤（1）和步骤（2）的溶液混合后于旋转蒸发仪上减压旋蒸，得到壳聚糖冠醚复合材料。
（4）取步骤（3）的壳聚糖冠醚复合材料0.5-1.0g，干法装入固相萃取柱，用0.01mol/L盐酸溶液充分淋洗后通过蠕动泵注入铀溶液，注入速度为1.0ml/min。
（5）用自动收集器收集每分钟的流出液，用同位素质谱仪检测每分钟流出液的铀同位素丰度，从而得到若干与自然丰度不同的铀同位素溶液。
所述冠醚优选为苯并-15-冠-5、苯并-18-冠-6；
所述壳聚糖的脱乙酰度为75-85%；
所述铀溶液pH值为3.5-5.5，质量体积比为50-300mg/L。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
（1）用氯仿溶解苯并15-冠-5，配制浓度为10g/L的冠醚溶液200mL。
（2）用质量分数为15-20%的醋酸作溶剂，配制脱乙酰度为75%，浓度为2.6g/L的壳聚糖溶液200mL。
（3）将上述步骤（1）和步骤（2）的溶液混合后于旋转蒸发仪上减压旋蒸，得到壳聚糖冠醚复合材料。
（4）取步骤（3）的壳聚糖冠醚复合材料0.5g干法装入固相萃取柱，用0.01mol/L盐酸溶液充分淋洗后通过蠕动泵注入铀溶液，注入速度为1.0ml/min，铀溶液浓度为50mg/L，pH值为3.5。
（5）用自动收集器收集每分钟的流出液，用同位素质谱仪检测每分钟流出液的铀同位素丰度，从而得到若干与自然丰度不同的铀同位素溶液。
按实施例1方法进行操作，检测每分钟的流出液中铀同位素的丰度。分析结果见表1。
实施例2
（1）用氯仿溶解苯并-18-冠-6，配制浓度为10g/L的冠醚溶液200mL。
（2）用质量分数为15-20%的醋酸作溶剂，配制脱乙酰度为75%，浓度为2.5g/L的壳聚糖溶液200mL。
（3）将上述步骤（1）和步骤（2）的溶液混合后于旋转蒸发仪上减压旋蒸，得到壳聚糖冠醚复合材料。
（4）取步骤（3）的壳聚糖冠醚复合材料0.5g干法装入固相萃取柱，用0.01mol/L盐酸溶液充分淋洗后通过蠕动泵注入铀溶液，注入速度为1.0ml/min，铀溶液浓度为50mg/L，pH值为3.5。
（5）用自动收集器收集每分钟的流出液，用同位素质谱仪检测每分钟流出液的铀同位素丰度，从而得到若干与自然丰度不同的铀同位素溶液。
按实施例2方法进行操作，检测每分钟的流出液中铀同位素的丰度。分析结果见表2。
实施例3
（1）用氯仿溶解苯并-15-冠-5，配制浓度为20g/L的冠醚溶液200mL。
（2）用质量分数为15-20%的醋酸作溶剂，配制脱乙酰度为75%，浓度为2.6g/L的壳聚糖溶液200mL。
（3）将上述步骤（1）和步骤（2）的溶液混合后于旋转蒸发仪上减压旋蒸，得到壳聚糖冠醚复合材料。
（4）取步骤（3）的壳聚糖冠醚复合材料0.5g干法装入固相萃取柱，用0.01mol/L盐酸溶液充分淋洗后通过蠕动泵注入铀溶液，注入速度为1.0ml/min，铀溶液浓度为50mg/L，pH值为3.5。
（5）用自动收集器收集每分钟的流出液，用同位素质谱仪检测每分钟流出液的铀同位素丰度，从而得到若干与自然丰度不同的铀同位素溶液。
按实施例3方法进行操作，检测每分钟的流出液中铀同位素的丰度。分析结果见表3。
实施例4
（1）用氯仿溶解苯并-15-冠-5，配制浓度为15g/L的冠醚溶液200mL。
（2）用质量分数为15-20%的醋酸作溶剂，配制脱乙酰度为80%，浓度为5.0g/L的壳聚糖溶液200mL。
（3）将上述步骤（1）和步骤（2）的溶液混合后于旋转蒸发仪上减压旋蒸，得到壳聚糖冠醚复合材料。
（4）取上述壳聚糖冠醚复合材料0.8g干法装入固相萃取柱，用0.01mol/L盐酸溶液充分淋洗后通过蠕动泵注入铀溶液，注入速度为1.0ml/min，铀溶液浓度为200mg/L，pH值为5.0。
（5）用自动收集器收集每分钟的流出液，用同位素质谱仪检测每分钟流出液的铀同位素丰度，从而得到若干与自然丰度不同的铀同位素溶液。
按实施例4方法进行操作，检测每分钟的流出液中铀同位素的丰度。分析结果见表4。
实施例5
（1）用氯仿溶解苯并-15-冠-5，配制浓度为12g/L的冠醚溶液200mL。
（2）用质量分数为15-20%的醋酸作溶剂，配制脱乙酰度为80%，浓度为5.0g/L的壳聚糖溶液200mL。
（3）将上述步骤（1）和步骤（2）的溶液混合后于旋转蒸发仪上减压旋蒸，得到壳聚糖冠醚复合材料。
（4）取上述壳聚糖冠醚复合材料0.7g干法装入固相萃取柱，用0.01mol/L盐酸溶液充分淋洗后通过蠕动泵注入铀溶液，注入速度为1.0ml/min，铀溶液浓度为100mg/L，pH值为5.5。
（5）用自动收集器收集每分钟的流出液，用同位素质谱仪检测每分钟流出液的铀同位素丰度，从而得到若干与自然丰度不同的铀同位素溶液。
按实施例5方法进行操作，检测每分钟的流出液中铀同位素的丰度。分析结果见表5。
实施例6
（1）用氯仿溶解苯并-18-冠-6，配制浓度为15g/L的冠醚溶液200mL。
（2）用质量分数为15-20%的醋酸作溶剂，配制脱乙酰度为85%，浓度为6.0g/L的壳聚糖溶液200mL。
（3）将上述步骤（1）和步骤（2）的溶液混合后于旋转蒸发仪上减压旋蒸，得到壳聚糖冠醚复合材料。
（4）取上述壳聚糖冠醚复合材料1.0g干法装入固相萃取柱，用0.01mol/L盐酸溶液充分淋洗后通过蠕动泵注入铀溶液，注入速度为1.0ml/min，铀溶液浓度为300mg/L，pH值为4.0。
（5）用自动收集器收集每分钟的流出液，用同位素质谱仪检测每分钟流出液的铀同位素丰度，从而得到若干与自然丰度不同的铀同位素溶液。
按实施例6方法进行操作，检测每分钟的流出液中铀同位素的丰度。分析结果见表6。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种壳聚糖冠醚复合材料对铀同位素的分离方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）用氯仿溶解冠醚，配制质量体积比为10-20 g/L的冠醚溶液200 mL；
（2）用质量分数为15-20%的醋酸作溶剂，配制质量体积比为2.5-6.0 g/L 的壳聚糖溶液200 mL；
（3）将步骤（1）和步骤（2）的溶液混合后于旋转蒸发仪上减压旋蒸，得到壳聚糖冠醚复合材料；
（4）取步骤（3）的壳聚糖冠醚复合材料0.5-1.0 g，干法装入固相萃取柱，用0.01 mol/L盐酸溶液充分淋洗后通过蠕动泵注入铀溶液，注入速度为1.0 ml/min；
（5）用自动收集器收集每分钟的流出液，用同位素质谱仪检测每分钟流出液的铀同位素丰度，从而得到若干与自然丰度不同的铀同位素溶液。
2.根据权利要求1所述的一种壳聚糖冠醚复合材料对铀同位素的分离方法，其特征在于，所述冠醚优选为苯并-15-冠-5或苯并-18-冠-6。
3.根据权利要求1所述的一种壳聚糖冠醚复合材料对铀同位素的分离方法，其特征在于，所述壳聚糖的脱乙酰度为75-85%。
4.根据权利要求1所述的一种壳聚糖冠醚复合材料对铀同位素的分离方法，其特征在于，所述铀溶液pH值为3.5-5.5，质量体积比为50-300 mg/L。
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