CN109317116A - 一种复合树脂及其制备方法和对硝酸介质中钯的回收方法 - Google Patents

一种复合树脂及其制备方法和对硝酸介质中钯的回收方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合树脂及其制备方法和对硝酸介质中钯的回收方法。该复合树脂以商用大孔树脂为基材，通过真空灌注的方法，按照不同负载比将C8‑Cyclen作为萃取剂负载到大孔树脂的孔道中。本发明的复合树脂的制备方法制备工艺简便、适用性强，易实现工程放大应用。本发明的复合树脂在较宽的硝酸浓度范围内对钯均有良好的吸附性能且易于循环复用，解决了传统钯处理工艺中选择性差、操作复杂和运行成本高的问题，在核燃料循环和湿法冶金领域具有重要的实践意义。

Description

一种复合树脂及其制备方法和对硝酸介质中钯的回收方法
技术领域
本发明属于资源利用和环境保护领域，具体涉及一种复合树脂及其制备方法和对硝酸介质中钯的回收方法。
背景技术
核能在为人类带来清洁能源的同时，也产生了大量的放射性废物，尤其是成分复杂、放射性强、释热量大、毒性大、酸度高的高放废液对人类及生态环境都构成了潜在的危害，其处理处置问题一直是废物管理和环境保护关注的焦点（Xuebing Wang, et al. J. Nucl. Sci. Technol.2004, 4, 495-497）。因此，积极发展经济、绿色、高效的分离材料及技术，以实现高放废液的减容降级，已成为先进核燃料循环可持续发展的先决条件。
高放废液通常是指核燃料后处理Purex流程中铀钚共去污循环后的萃余液，主要包含少量的次锕系元素和大量的裂变产物。其中，裂变产物钯，作为一种稀有的贵金属，因其丰富的储量和较低的辐照水平，在近些年引起了人们广泛的关注。据文献报道，动力堆燃耗为33 GWd/t的乏燃料在2030年可蓄积的裂变产物钯总量将达到1000 t以上（R. Ruhela,et al. RSC Adv.2014, 4, 24344-24350），这能极大地缓解目前钯资源短缺的现状。另外，裂变产物钯的提前分离可有效提高玻璃固化过程中固化体的稳定性，避免放射性废物的溢出。因此，研究高放废液中裂变产物钯的选择性分离，在资源回收和废物处置等方面具有重要的实践意义，也易于实现在储氢材料、氢同位素分离及反应堆元件的应用。
目前，硝酸介质中裂变产物钯的分离方法主要有：共沉淀、离子交换、电化学、溶剂萃取和固相萃取等。相比较而言，固相萃取技术具有效率高、操作简便和二次废物少的优点，非常适合大体积、低浓度的裂变产物钯的分离与富集，而复合树脂是该技术在现阶段的主要研究方向。例如日本原子能研究所先后报道了硫杂酰胺夹醚、杯芳烃冠醚、丁二酮肟及吡啶酰胺萃取剂负载的大孔硅基树脂，并研究了其对硝酸介质中钯的分离性能。但是，该类复合树脂对高放废液中其他元素组分（如镧系、过渡金属）也有一定的吸附性能，难以直接实现钯的选择性分离，这意味着更多的分离步骤及运行成本，限制了其在工业应用的前景。因此，进一步寻求、制备高选择性、高吸附容量且易循环复用的复合树脂一直是高放废液中裂变产物钯分离技术的关键。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种复合树脂，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种复合树脂的制备方法，本发明所要解决的再一个技术问题是提供一种复合树脂对硝酸介质中钯的第一种回收方法，本发明所要解决的最后一个技术问题是提供一种复合树脂对硝酸介质中钯的第二种回收方法。
本发明的复合树脂，其特点是，所述的复合树脂以商用大孔树脂为基材，C8-Cyclen为负载萃取剂的复合型树脂，C8-Cyclen的分子结构式为：
本发明的复合树脂的制备方法包括以下步骤：
2a.C8-Cyclen萃取剂预先溶解于甲醇中，按照萃取剂/复合树脂的负载比加入商用大孔树脂，超声分散后，在24.8℃~25.2℃恒温条件下振荡平衡24 h，得到复合树脂悬浊液；
2b.将步骤2a获得的复合树脂悬浊液转移至旋转蒸发仪，控制体系真空度，先室温旋转搅拌2h，然后在40℃条件下缓慢蒸发除去残留的甲醇溶剂，制得所需的复合树脂。
步骤2a中每负载0.1 g C8-Cyclen萃取剂，所需的甲醇溶剂量为20 mL~40 mL；步骤2a中的商用大孔树脂为：聚芳香烃的非极性大孔吸附树脂和聚丙烯酸酯的中极性大孔吸附树脂；步骤2a中的萃取剂/复合树脂的负载比为：5%~40 %。
步骤2b中的体系真空度为：0.45 MPa~0.55 MPa。
本发明的复合树脂对硝酸介质中钯的第一种回收方法包括以下步骤：
5a.复合树脂经真空干燥后，加入到锥形瓶中，再加入钯的硝酸溶液，超声5 min后，在24.8℃~25.2℃恒温条件下以200 r/min振荡至吸附平衡；
5b.离心分离吸附后的复合树脂，取出上层清液，采用原子吸收光谱仪AAS测定清液中钯的质量浓度。
步骤5a中的钯的硝酸溶液浓度为1.0 mol/L~5.0 mol/L，钯的质量浓度为98 mg/L~102 mg/L；步骤5a中每处理15 mL钯的硝酸溶液，加入的复合树脂量为0.018 g~0.022 g。
步骤5b中的吸附后的复合树脂，在24.8℃~25.2℃恒温条件下，采用5%硫脲的盐酸溶液脱附，实现复合树脂的循环使用。
本发明的复合树脂对硝酸介质中钯的第二种回收方法包括以下步骤：
8a.复合树脂经真空干燥后，加入到锥形瓶中，再加入模拟的高放废液，超声5 min后，在24.8℃~25.2℃恒温条件下以200 r/min振荡至吸附平衡；
8b.离心分离吸附金属离子后的复合树脂，取出上层清液，采用电感耦合等离子体光谱仪ICP-OES和电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS测定清液中的金属离子的质量浓度。
步骤8a中的模拟的高放废液的硝酸浓度为0.9 mol/L~1.1 mol/L，含有的元素组分为：1.610 g/L~1.650 g/L Na、0.335 g/L~0.345 g/L K、0.295 g/L~0.315 g/L Cs、0.165 g/L~0.180 g/L Sr、0.040 g/L~0.050 g/L Ba、0.040 g/L~0.050 g/L Cd、0.045 g/L~0.067 g/L Ni、0.225 g/L~0.245 g/L Nd、0.060 g/L~0.080 g/L Cr、0.075 g/L~0.090g/L Ru、0.685 g/L~0.720 g/L Mo、0.080 g/L~0.095 g/L Fe、0.145 g/L~0.165 g/L Zr、1.295 g/L~1.315 g/L U、1.9×10-7 g/L~2.1×10-7 g/L Am、4.9×10-6 g/L~5.1×10-6 g/LPu和0.345 g/L~0.365 g/L Pd。
步骤8a中每处理10 mL模拟的高放废液，加入的复合树脂量为0.045 g~0.055 g。
本发明的复合树脂对硝酸介质中钯的吸附原理为：负载于复合树脂孔道内的C8-Cyclen萃取剂，含有4个高度对称的环内N原子，其能与钯在硝酸介质中形成非常稳定的络合物，而对其他干扰元素则受环空腔匹配的限制及N原子质子化的影响，无法形成对应的配位化合物。因此，该复合树脂在硝酸介质和模拟的高放废液中对钯均有极佳的选择性识别能力。
本发明的复合树脂，是以商用大孔树脂为基材，C8-Cyclen为负载萃取剂的复合型树脂，具有以下的优点：
1.通过真空灌注的方法，将C8-Cyclen萃取剂负载于商用大孔树脂的孔道内，制备了一种对钯具有优良吸附性能的新型复合树脂。
2.其对钯在较宽的硝酸浓度范围内均表现出吸附容量大、吸附速率快且易于循环复用的优点。
3.其对模拟的高放废液中的钯具有极佳的选择性分离能力，钯的吸附率可达85 %以上，而对其他多种干扰元素的吸附率均在5%以内，有望实现核燃料后处理高放废液中裂变产物钯的快速、高效分离。
本发明的复合树脂的制备方法制备工艺简便、适用性强，易实现工程放大应用。
本发明的复合树脂对硝酸介质中钯的回收方法能够实现对硝酸介质中钯的高效选择性分离。
附图说明
图1a为本发明的复合树脂的扫描电镜照片（60μm）；
图1b为本发明的复合树脂的扫描电镜照片（100μm）；
图2为硝酸浓度对本发明的复合树脂吸附钯的性能影响；
图3为本发明的复合树脂的循环复用性能。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
以下实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。有关技术领域的人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化、替换和变型，因此同等的技术方案也属于本发明的范畴。
本发明的复合树脂以商用大孔树脂为基材，C8-Cyclen为负载萃取剂的复合型树脂，C8-Cyclen的分子结构式为：
实施例1
本实施例为复合树脂的制备方法，包括以下步骤：
实施例1.1
0.2 g C8-Cyclen萃取剂预先溶解于20 mL甲醇中，按照萃取剂/复合树脂的负载比为20%加入聚丙烯酸酯的中极性大孔吸附树脂0.8 g，超声分散后，在24.8℃~25.2℃恒温条件下振荡平衡24h。将获得的复合树脂悬浊液转移至旋转蒸发仪，控制体系真空度为0.45MPa，先室温旋转搅拌2h，然后在40℃条件下缓慢蒸发除去残留的甲醇溶剂，制得所需的复合树脂。复合树脂的扫描电镜照片见图1a、图1b所示，可以明显观察到该复合树脂为球形结构，大小约为100 nm左右，且微球表面无粘黏现象，说明萃取剂已完全负载于复合树脂的孔道内部。
实施例1.2
0.2 g C8-Cyclen萃取剂预先分别溶解于40 mL和60 mL甲醇中，其他步骤同实施例1.1，制得的复合树脂的微观形貌结构与实施例1.1相比无明显变化，化学组成也近乎相同。
实施例1.3
0.2 g C8-Cyclen萃取剂预先分别溶解于20 mL甲醇中，按照萃取剂/复合树脂的负载比为20%加入聚芳香烃的非极性大孔吸附树脂0.8 g，其他步骤同实施例1.1，制得的复合树脂的微观形貌结构与实施例1.1相比无明显变化，化学组成也近乎相同。
实施例1.4
0.2 g C8-Cyclen萃取剂预先分别溶解于20 mL甲醇中，按照萃取剂/复合树脂的负载比为20%加入聚丙烯酸酯的中极性大孔吸附树脂0.8 g，超声分散后，在24.8℃~25.2℃恒温条件下振荡平衡24h。将获得的复合树脂悬浊液转移至旋转蒸发仪，控制体系真空度分别为0.50 MPa和0.55 MPa，其他步骤同实施例1.1，制得的复合树脂的微观形貌结构与实施例1.1相比无明显变化，化学组成也近乎相同。
实施例1.5
0.2 g C8-Cyclen萃取剂预先分别溶解于20 mL甲醇中，按照萃取剂/复合树脂的负载比分别为5%和40%，依次加入聚丙烯酸酯的中极性大孔吸附树脂3.8 g和0.3 g，其他步骤同实施例1.1，制得的复合树脂的微观形貌结构与实施例1.1相比无明显变化，但含有的C8-Cyclen萃取剂的负载量随负载比的增加而显著增大，试验结果见表1所示。
实施例2
本实施例为复合树脂对硝酸介质中钯的第一种回收方法，获得的试验结果如下：
实施例2.1
钯溶液的硝酸浓度为1.0 mol/L。
移取15 mL，硝酸浓度为1.0 mol/L的100 mg/L钯溶液于锥形瓶中，加入本发明的复合树脂0.02 g，超声5 min后，在24.8℃~25.2℃恒温条件下以200 r/min振荡至吸附平衡。离心分离吸附后的复合树脂，取出上层清液，采用原子吸收光谱仪AAS测定清液中钯的质量浓度。根据吸附平衡公式计算出该复合树脂此时对钯的吸附容量为46.6 mg/g。
实施例2.2
钯溶液的硝酸浓度为2.0 mol/L。
移取15 mL，硝酸浓度为2.0 mol/L的100 mg/L钯溶液于锥形瓶中，加入本发明的复合树脂0.02 g，超声5 min后，在24.8℃~25.2℃恒温条件下以200 r/min振荡至吸附平衡。离心分离吸附后的复合树脂，取出上层清液，采用原子吸收光谱仪AAS测定清液中钯的质量浓度。根据吸附平衡公式计算出该复合树脂此时对钯的吸附容量为34.2 mg/g。
实施例2.3
钯溶液的硝酸浓度为3.0 mol/L。
移取15 mL，硝酸浓度为3.0 mol/L的100 mg/L钯溶液于锥形瓶中，加入本发明的复合树脂0.02 g，超声5 min后，在24.8℃~25.2℃恒温条件下以200 r/min振荡至吸附平衡。离心分离吸附后的复合树脂，取出上层清液，采用原子吸收光谱仪AAS测定清液中钯的质量浓度。根据吸附平衡公式计算出该复合树脂此时对钯的吸附容量为28.6 mg/g。
实施例2.4
钯溶液的硝酸浓度为4.0 mol/L。
移取15 mL，硝酸浓度为4.0 mol/L的100 mg/L钯溶液于锥形瓶中，加入本发明的复合树脂0.02 g，超声5 min后，在24.8℃~25.2℃恒温条件下以200 r/min振荡至吸附平衡。离心分离吸附后的复合树脂，取出上层清液，采用原子吸收光谱仪AAS测定清液中钯的质量浓度。根据吸附平衡公式计算出该复合树脂此时对钯的吸附容量为16.5 mg/g。
实施例2.5
钯溶液的硝酸浓度为5.0 mol/L。
移取15 mL，硝酸浓度为5.0 mol/L的100 mg/L钯溶液于锥形瓶中，加入本发明的复合树脂0.02 g，超声5 min后，在24.8℃~25.2℃恒温条件下以200 r/min振荡至吸附平衡。离心分离吸附后的复合树脂，取出上层清液，采用原子吸收光谱仪AAS测定清液中钯的质量浓度。根据吸附平衡公式计算出该复合树脂此时对钯的吸附容量为15.1 mg/g。
具体试验结果如图2所示，本发明的复合树脂在1.0mol/L~5.0 mol/L的硝酸浓度范围内对钯均有较强的吸附性能，且吸附容量随硝酸浓度的升高而逐渐降低，这主要是因为在高硝酸浓度条件下，环内的N原子的质子化作用加强，导致H+与钯竞争复合树脂表面的吸附位点。
实施例2.6
本实施例为复合树脂的解吸与循环复用。
实施例2.1中吸附后的复合树脂，用去离子水洗涤2~3次，以去除残余的硝酸钯溶液。树脂经真空干燥8h后，再转入到锥形瓶中，加入5%硫脲的盐酸溶液，超声5 min后，在24.8℃~25.2℃恒温条件下以200 r/min振荡至解吸平衡。离心分离解吸后的复合树脂，取出上层清液，采用原子吸收光谱仪AAS测定清液中钯的质量浓度。根据吸附平衡公式计算此时复合树脂对钯的解吸率为92.3%，而分离后的复合树脂重复进行上述的吸附-解吸操作。如图3所示，该复合树脂在循环复用4次后，对钯的吸附性能仅降低约为20%左右，在裂变产物钯的分离与检测中具备实际应用潜力。
实施例3
本实施例为复合树脂对硝酸介质中钯的第二种回收方法。
移取10 mL，硝酸浓度为1.0 mol/L的模拟的高放废液于锥形瓶中，加入本发明的复合树脂0.05 g, 超声5 min后，在24.8℃~25.2℃恒温条件下以200 r/min振荡至吸附平衡。离心分离吸附金属离子后的复合树脂，取出上层清液，采用电感耦合等离子体光谱仪ICP-OES和电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS测定清液中的金属离子K、Na、Cs、Sr、Ba、Cd、Ni、Nd、Cr、Ru、Fe、Mo、Zr、U、Am、Pu、Pd的质量浓度。根据吸附平衡公式计算出该复合树脂对钯的吸附率为86.8%，而对其他干扰元素的吸附率均在5%以下，具体结果见表2所示。
表1
表2

Claims (10)

1.一种复合树脂，其特征在于，所述的复合树脂以商用大孔树脂为基材，C8-Cyclen为负载萃取剂的复合型树脂，C8-Cyclen的分子结构式为：
。
2.一种权利要求1所述的复合树脂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2a.C8-Cyclen萃取剂预先溶解于甲醇中，按照萃取剂/复合树脂的负载比加入商用大孔树脂，超声分散后，在24.8℃~25.2℃恒温条件下振荡平衡24 h，得到复合树脂悬浊液；
2b.将步骤2a获得的复合树脂悬浊液转移至旋转蒸发仪，控制体系真空度，先室温旋转搅拌2h，然后在40℃条件下缓慢蒸发除去残留的甲醇溶剂，制得所需的复合树脂。
3.根据权利要求2所述的复合树脂的制备方法，其特征在于，步骤2a中每负载0.1 g C8-Cyclen萃取剂，所需的甲醇溶剂量为20 mL~40 mL；步骤2a中的商用大孔树脂为：聚芳香烃的非极性大孔吸附树脂和聚丙烯酸酯的中极性大孔吸附树脂；步骤2a中的萃取剂/复合树脂的负载比为：5%~40 %。
4.根据权利要求2所述的复合树脂的制备方法，其特征在于，步骤2b中的体系真空度为：0.45 MPa~0.55 MPa。
5.一种权利要求1所述的复合树脂对硝酸介质中钯的回收方法，其特征在于，包括以下步骤：
5a.复合树脂经真空干燥后，加入到锥形瓶中，再加入钯的硝酸溶液，超声5 min后，在24.8℃~25.2℃恒温条件下以200 r/min振荡至吸附平衡；
5b.离心分离吸附后的复合树脂，取出上层清液，采用原子吸收光谱仪AAS测定清液中钯的质量浓度。
6.根据权利要求5所述的复合树脂对硝酸介质中钯的回收方法，其特征在于，步骤5a中的钯的硝酸溶液浓度为1.0 mol/L~5.0 mol/L，钯的质量浓度为98 mg/L~102 mg/L；步骤5a中每处理15 mL钯的硝酸溶液，加入的复合树脂量为0.018 g~0.022 g。
7.根据权利要求5所述的复合树脂对硝酸介质中钯的回收方法，其特征在于，步骤5b中的吸附后的复合树脂，在24.8℃~25.2℃恒温条件下，采用5%硫脲的盐酸溶液脱附，实现复合树脂的循环使用。
8.一种权利要求1所述的复合树脂对硝酸介质中钯的回收方法，其特征在于，包括以下步骤：
8a.复合树脂经真空干燥后，加入到锥形瓶中，再加入模拟的高放废液，超声5 min后，在24.8℃~25.2℃恒温条件下以200 r/min振荡至吸附平衡；
8b.离心分离吸附金属离子后的复合树脂，取出上层清液，采用电感耦合等离子体光谱仪ICP-OES和电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS测定清液中的金属离子的质量浓度。
9.根据权利要求8所述的复合树脂对硝酸介质中钯的回收方法，其特征在于，步骤8a中的模拟的高放废液的硝酸浓度为0.9 mol/L~1.1 mol/L，含有的元素组分为：1.610 g/L~1.650 g/L Na、0.335 g/L~0.345 g/L K、0.295 g/L~0.315 g/L Cs、0.165 g/L~0.180 g/LSr、0.040 g/L~0.050 g/L Ba、0.040 g/L~0.050 g/L Cd、0.045 g/L~0.067 g/L Ni、0.225g/L~0.245 g/L Nd、0.060 g/L~0.080 g/L Cr、0.075 g/L~0.090 g/L Ru、0.685 g/L~0.720 g/L Mo、0.080 g/L~0.095 g/L Fe、0.145 g/L~0.165 g/L Zr、1.295 g/L~1.315 g/L U、1.9×10-7 g/L~2.1×10-7 g/L Am、4.9×10-6 g/L~5.1×10-6 g/L Pu和0.345 g/L~0.365 g/L Pd。
10.根据权利要求8所述的复合树脂对硝酸介质中钯的回收方法，其特征在于，步骤8a中每处理10 mL模拟的高放废液，加入的复合树脂量为0.045 g~0.055 g。
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