CN107958717B - 一种基于协同效应分离三价锕系与镧系离子的方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于协同效应分离三价锕系与镧系离子的方法，采用脂溶性二硫代次膦酸为萃取剂，并经稀释剂稀释形成有机相，与水相发生萃取反应，水相为添加有水溶性有机弱酸络合剂的含有三价镧系和锕系离子的酸性水溶液，通过萃取剂‑络合剂协同效应，萃取分离三价镧系和锕系离子；有机相和水相的体积比为0.2‑2；酸性水溶液pH值为2‑4；本发明不仅分离性能好，且稳定性佳，操作简便。

Description

一种基于协同效应分离三价锕系与镧系离子的方法
技术领域
本发明属于核燃料循环及放射性废液处理技术领域，具体涉及一种基于协同效应分离三价锕系与镧系离子的方法。
背景技术
核燃料循环过程中会产生大量的放射性废物。目前，无论是发展核武器还是民用核能应用过程中都遗留下了大量的高放废液，妥善解决其处理处置问题已迫在眉睫。
“分离-嬗变”法是一种处理高放废液的先进策略，即采用化学分离法从高放废液中把所占比例很小但毒性很大的锕系元素选择性地分离出来，通过加速器或反应堆将其转变为稳定或短寿命核素，而残余的废液变成非α废物，从而降低高放废物的长期毒性，便于进一步进行处理和处置。三价锕系与三价镧系元素的有效分离是实现“分离-嬗变”先进核燃料循环的关键环节之一。然而，由于三价锕系与三价镧系元素的物理化学性质极为接近，其有效分离一直是分离领域的一大难题。
国内外学者通过研究发现，在溶剂萃取过程中，含S、N等软配体的萃取剂表现出对三价锕系和三价镧系元素良好的分离性能。其中，含S的二硫代次膦酸化合物表现尤其出色。1995年，商业试剂Cyanex301(含二硫代次膦酸)被发现能够从常量镧系元素中有效分离三价锕系元素，随后又发现其纯化产品二(2,4,4-三甲基戊基)二硫代次膦酸对示踪量和常量的镧系元素中的示踪量三价锕系元素都具有非常好的萃取分离效果，并提出了相应的分离工艺(ZhuY.J.etal,Radiochim.Acta,1995,68(2):95-98)。
在以上研究过程中，基于Cyanex301的三价镧锕分离方法开发研究已有较多结果，并逐步建立了萃取分离流程。然而，目前对于其它种类二硫代次膦酸的研究相对较少。通过在二硫代次膦酸P原子上连接不同的取代基，可以得到多种不同结构的二硫代次膦酸，且其对三价镧系锕系离子的分离有望表现出不同的适用性。
另外，在对二硫代次膦酸分离三价镧锕的研究中，目前的研究均侧重于有机相中二硫代次膦酸种态的调控(浓度、皂化度等)，而对于水相中三价镧锕离子的种态调控关注不够。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种基于协同效应分离三价锕系与镧系离子的方法，不仅分离性能好，且稳定性佳，操作简便。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于协同效应分离三价锕系与镧系离子的方法，包括以下步骤：采用脂溶性二硫代次膦酸为萃取剂，并经稀释剂稀释形成有机相，与水相发生萃取反应，水相为添加有水溶性有机弱酸络合剂的含有三价镧系和锕系离子的酸性水溶液，通过萃取剂-络合剂协同效应，萃取分离三价镧系和锕系离子。
所述的有机相和水相的体积比为0.2-2。
所述的脂溶性二硫代次膦酸萃取剂为含有两个取代基的二硫代次膦酸，取代基包括戊基、己基、庚基、辛基、2,4,4-三甲基戊基、苯基、邻三氟甲基苯基和环己基，两个取代基相同或不同，脂溶性二硫代次膦酸为萃取剂在稀释剂中的浓度为0.1～1mol/L。
所述的稀释剂为甲苯、烷烃类有机化合物或烷烃的混合物。
所述的水溶性有机弱酸络合剂包括甲酸、乙酸、乳酸、柠檬酸、丙二酸、苹果酸、羟基乙酸、丙氨酸和甘氨酸，其在水相中的浓度为0.01～0.1mol/L。
所述的酸性水溶液pH值为2-4。
所述的锕系元素包括镅和锔。
所述的镧系元素包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明采用含有两个取代基的二硫代次膦酸作为萃取剂，由于不同二硫代次膦酸可适用于不同的酸度范围，因此拓展了分离体系的适用性，可应用于更复杂的水相废液。
(2)由于使用了水溶性有机弱酸络合剂，一方面调节了三价镧锕离子在水相中的存在状态，与有机相对三价镧锕离子的萃取作用形成协同效应，会增强分离效果；另一方面，有机弱酸具有良好的缓冲作用，不需要对水相pH进行繁杂的调节，且萃取过程中不需要对有机相中的二硫代次膦酸进行皂化，大大简化了操作，改善了二硫代次膦酸萃取分离三价镧系和三价锕系离子体系的稳定性，在先进燃料循环领域具有很好的应用前景。
(3)两相分离后，水相中三价锕系离子被萃入有机相，萃取率不低于80％，三价镧系离子基本不被萃取，萃取率一般不高于2％。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例中，锕系离子选择Am(III)为代表，镧系离子选择Eu(III)或Nd(III)为代表。所述的锕系元素包括镅和锔，镧系元素包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥。
实施例1：
以二(2,4,4-三甲基戊基)二硫代次膦酸为萃取剂，并经煤油(一种烷烃混合物)稀释形成有机相，萃取剂在有机相的浓度为0.5mol/L，与水相发生萃取反应，水相为添加有甲酸和示踪量241Am和151,152Eu的pH为3.7酸性水溶液，水相中甲酸浓度为0.05mol/L；有机相和水相体积比为1，两相混合并搅拌5分钟，离心分离，测量有机相和水相中的Am及Eu含量，Am的萃取率为82％，Eu的萃取率小于0.05％，萃余液pH变化<0.04。
实施例2：
以二(邻-三氟甲基苯基)二硫代次膦酸为萃取剂，并经甲苯稀释形成有机相，萃取剂在有机相的浓度为0.3mol/L，与水相发生萃取反应，水相为添加有乙酸和示踪量241Am和151,152Eu以及2mmol/L的Eu3+和Nd3+的pH为2.5酸性水溶液，水相中乙酸浓度为0.02mol/L，有机相和水相体积比为0.4，两相混合并搅拌5分钟，离心分离，测量有机相和水相中的Am、Eu、Nd含量，Am的萃取率为85％，Eu的萃取率小于0.2％，Nd的萃取率小于1％，萃余液pH变化<0.02。
实施例3：
以丁基辛基二硫代次膦酸为萃取剂，并经正十二烷稀释形成有机相，萃取剂在有机相的浓度为0.75mol/L，与水相发生萃取反应，水相为添加有乳酸和示踪量241Am和151, 152Eu的pH为3.2酸性水溶液，水相中乳酸浓度为0.01mol/L；有机相和水相体积比为2，两相混合并搅拌5分钟，离心分离，测量有机相和水相中的Am、Eu含量，Am的萃取率为88％，Eu的萃取率小于0.2％，萃余液pH变化<0.03。
实施例4：
以(邻-三氟甲基苯基)辛基二硫代次膦酸为萃取剂，并经甲苯稀释形成有机相，萃取剂在有机相的浓度为0.5mol/L，与水相发生萃取反应，水相为添加有甲酸和示踪量241Am和151,152Eu的pH为3.1酸性水溶液，水相中甲酸浓度为0.04mol/L，有机相和水相体积比为1，两相混合并搅拌5分钟，离心分离，测量有机相和水相中的Am、Eu含量，Am的萃取率为90％，Eu的萃取率小于0.2％，萃余液pH变化<0.02。
实施例5：
以二(邻-三氟甲基苯基)辛基二硫代次膦酸为萃取剂，并经甲苯稀释形成有机相，萃取剂在有机相的浓度为1mol/L，与水相发生萃取反应，水相为添加有甲酸和示踪量241Am和151,152Eu的pH为2酸性水溶液，水相中甲酸浓度为0.1mol/L，有机相和水相体积比为0.2，两相混合并搅拌5分钟，离心分离，测量有机相和水相中的Am、Eu含量，Am的萃取率为80％，Eu的萃取率小于0.1％，萃余液pH变化<0.02。
实施例6：
以二(2,4,4-三甲基戊基)二硫代次膦酸为萃取剂，并经正十二烷稀释形成有机相，萃取剂在有机相的浓度为0.1mol/L，与水相发生萃取反应，水相为添加有甲酸和示踪量241Am和151,152Eu的pH为4酸性水溶液，水相中丙氨酸浓度为0.06mol/L，有机相和水相体积比为0.5，两相混合并搅拌5分钟，离心分离，测量有机相和水相中的Am、Eu含量，Am的萃取率大于90％，Eu的萃取率小于2％，萃余液pH变化<0.02。

Claims (8)

1.一种基于协同效应分离三价锕系与镧系离子的方法，包括以下步骤：采用脂溶性二硫代次膦酸为萃取剂，并经稀释剂稀释形成有机相，与水相发生萃取反应，其特征在于，水相为添加有水溶性有机弱酸络合剂的含有三价镧系和锕系离子的酸性水溶液，通过萃取剂-络合剂协同效应，萃取分离三价镧系和锕系离子。
2.根据权利要求1所述的一种基于协同效应分离三价锕系与镧系离子的方法，其特征在于：所述的有机相和水相的体积比为0.2-2。
3.根据权利要求1所述的一种基于协同效应分离三价锕系与镧系离子的方法，其特征在于：所述的脂溶性二硫代次膦酸萃取剂为含有两个取代基的二硫代次膦酸，取代基包括戊基、己基、庚基、辛基、2,4,4-三甲基戊基、苯基、邻三氟甲基苯基和环己基，两个取代基相同或不同，脂溶性二硫代次膦酸为萃取剂在稀释剂中的浓度为0.1～1mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种基于协同效应分离三价锕系与镧系离子的方法，其特征在于：所述的稀释剂为甲苯、烷烃类有机化合物或烷烃的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种基于协同效应分离三价锕系与镧系离子的方法，其特征在于：所述的水溶性有机弱酸络合剂包括甲酸、乙酸、乳酸、柠檬酸、丙二酸、苹果酸、羟基乙酸、丙氨酸和甘氨酸，其在水相中的浓度为0.01～0.1mol/L。
6.根据权利要求1所述的一种基于协同效应分离三价锕系与镧系离子的方法，其特征在于：所述的酸性水溶液pH值为2-4。
7.根据权利要求1所述的一种基于协同效应分离三价锕系与镧系离子的方法，其特征在于：所述的锕系元素包括镅和锔。
8.根据权利要求1所述的一种基于协同效应分离三价锕系与镧系离子的方法，其特征在于：所述的镧系元素包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥。
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