CN112899481B - 一种吸附分离钾和钠的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸附分离钾和钠的方法，包括如下步骤：含有钾和钠的溶液添加硝酸，后与吸附剂混合，根据吸附剂对钾和钠吸附率的差异，对钾和钠进行分离，所述吸附剂由如结构式(I)所示的超分子化合物负载在结构式(II)所示的金属有机框架材料制成。本发明方法采用的吸附剂与钾元素有较强的吸附，能实现钾和钠的分离；吸附剂对其它金属基本不吸附，因此在含有共生元素的情况下，本发明方法也能将钾从溶液中分离。本发明方法条件温和，选择性好，分离速度快，操作简单，易于推广。

Description

一种吸附分离钾和钠的方法

技术领域

本发明涉及元素分离技术领域，具体涉及一种吸附分离钾和钠的方法。

背景技术

使用核能的过程中往往产生大量放射性废弃物，这些废弃物降解时间长，极易造成严重的环境污染，如何安全有效地处理这些放射性废弃物已经成为制约核能可持续发展的关键因素。

核燃料后处理厂产生的高放废液中含有大量的裂变产物和超铀核素,包括30多种元素的300多种核素。这些裂变产物大部分的半衰期很短或裂变产额很低，其中有10余种核素的半衰期较长，裂变产额较高，有些核素还属于自然界中的稀缺物质。从高放废液中回收长半衰期的锶90、铯137、铈144、钷147、镅241等核素后，可以提高废液在贮存过程中的安全性，可以充分利用资源。

核素的分离过程中往往会引入其它元素，例如以亚铁氰化钛钾从高放废液中去除Cs将引入K、Fe等元素，因此回收锶、铯、铈、钷、镅等核素后的高放废液成分仍很复杂，又多经浓缩，所含金属离子浓度较高，毒性高，腐蚀性大。此类高放废液的典型状态是：约2.5MHNO₃，3-9g裂变产物/升，放射性强度400-1200Ci/L，主要含有的元素有Na、K、Cs、Ni、Cr、Fe、Al、Sr等。其中钠离子含量占总的阳离子含量比重很大，从高放废液或相关后处理废液中对Na、K进行分离有利于合理处理高放废液。现有的从高放废液中分离和提取元素的方法普遍存在难于实现工业化，或者不能适用于我国高放废液的具体情况，很难达到预定的效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种吸附分离钾和钠的方法。本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种吸附分离钾和钠的方法：含有钾和钠的硝酸溶液与吸附剂混合，根据吸附剂对钾和钠吸附率的差异，对钾和钠进行分离，所述吸附剂由如结构式(I)所示的超分子化合物BiPC5负载在结构式(II)所示的金属有机框架材料UiO-66制成：

本发明的方法具有较强的抗干扰能力，在含有金属元素Cs、Li、Mg、Ca、Sr、Ba、Mo、Zr、Ru、Y、Ni、Nd、Yb、La、Co、Fe中一种或多种的钾和钠混合物中，仍能实现钾和钠的分离。

在本发明的一个优选实施方式中，金属有机框架材料为结构式(I)所示超分子化合物质量的5-10倍。

在本发明的一个优选实施方式中，所述含有钾和钠的溶液中，每种金属离子的浓度为5.0×10^-4-5.0×10^-3M。

在本发明的一个优选实施方式中，所述含有钾和钠的溶液中硝酸浓度为2-3.5mol/L。更进一步的，使硝酸浓度为3mol/L。硝酸浓度对本发明方法的分离效果具有较大影响。

在本发明的一个优选实施方式中，含有钾和钠的硝酸溶液与吸附剂混合接触时间大于5min。进一步的，混合接触时间在120min后，Rb与其它元素的吸附分配系数变化不大，因此混合接触时间优选为5-120min。

所述吸附剂的制备方法如下：

将如结构式(I)所示的超分子化合物溶解于二氯甲烷中，在所得溶液中加入结构式(II)所示金属有机框架材料混合均匀，经旋蒸干燥后，得到吸附剂。

吸附剂与待分离溶液的用量比例可选取每1.0-10.0mL溶液对应0.15g吸附剂。优选的，每3.0mL溶液对应0.15g吸附剂。

在本发明的一个优选实施方式中，吸附过程的温度为298-313K。

作为优选，本发明的吸附分离过程可以通过色谱柱完成，也可在震荡器等设备辅助下直接进行接触吸附。

根据吸附剂对钾和钠吸附率的差异对钾和钠进行分离具体可以为：吸附剂与待分离溶液混合吸附后，溶液中的钾被吸附剂完全吸附；吸附剩余液含其它金属离子与钠；从而使钾和钠分离。

本发明的吸附剂在合适的硝酸浓度下，对钠几乎不吸附，对钾则表现出非常强的吸附效果，因此分离效率极高，克服了现有的吸附剂对钾和钠均有吸附，吸附分离效果不好的问题(现有吸附剂依靠吸附程度的不同通过循环过柱的方式实现元素分离；在吸附过程中，其中一种元素被吸附的同时另一种元素也被少量吸附，需要利用元素与吸附剂的竞争现象，将含有钾和钠的溶液循环过柱，直至吸附较弱的元素被较强元素完全取代，才能在脱附环节仅得到吸附较强的元素)。而在本发明方法下，由于其它元素几乎不吸附，因此吸附剂无需通过竞争现象进行元素替换。

本发明利用吸附剂分离元素钾和钠的方法，吸附剂选择性好，分离速度快，操作简单，易于推广。

附图说明

图1为硝酸浓度对于UiO-66@BiPC5吸附K(I)等金属离子的影响实验。

图2为接触时间对于UiO-66@BiPC5吸附K(I)等金属离子的影响实验。

图3为接触时间对于UiO-66@BiPC5吸附K(I)等金属离子的影响实验。

具体实施方式

实施例1

将1g结构式(I)所示的超分子化合物BiPC5溶解于100.0mL二氯甲烷中，充分溶解，在所得溶液中加入10.0g结构式(II)所示的金属有机框架材料UiO-66，搅拌使UiO-66与BiPC5混合均匀，经减压旋转蒸发使二氯甲烷挥发大部分至物料到近干状态，然后再将近干状态的物料在45℃下真空干燥24h，得到吸附剂UiO-66@BiPC5。

实施例2

将0.5g结构式(I)所示的超分子化合物BiPC5溶解于75.0mL二氯甲烷中，充分溶解，在所得溶液中加入2.5g结构式(II)所示的金属有机框架材料UiO-66，搅拌使UiO-66与BiPC5混合均匀，经减压旋转蒸发使二氯甲烷挥发大部分至物料到近干状态，然后再将近干状态的物料在50℃下真空干燥24h，得到吸附剂UiO-66@BiPC5。

实施例3

将0.7g结构式(I)所示的超分子化合物BiPC5溶解于80.0mL二氯甲烷中，充分溶解，在所得溶液中加入5.0g结构式(II)所示的金属有机框架材料UiO-66，搅拌使UiO-66与BiPC5混合均匀，经减压旋转蒸发使二氯甲烷挥发大部分至物料到近干状态，然后再将近干状态的物料在55℃下真空干燥24h，得到吸附剂UiO-66@BiPC5。

实施例4～10

(1)将K、Cs、Li、Na、Mg、Ca、Sr、Ba、Mo、Zr、Ru、Y、Ni、Nd、Yb、La、Co、Fe的盐溶于硝酸溶液，配制成同时含有多种金属离子的硝酸溶液。溶液中每种金属离子的浓度为1.0×10^{- 3}M。根据硝酸溶度的不同得到多个样品。

(2)将步骤(1)得到的含有多种金属离子的溶液与实施例1制备的吸附剂接触混合，混合时的用量比为：每3.0mL溶液对应0.15g吸附剂。

(3)将步骤(2)所得混合液在TAITECMM-10型振荡器上进行吸附实验，振荡器振荡速率为120rpm，室温298K下操作，对不同硝酸浓度样品进行吸附(实施例4-10，对应的硝酸浓度分别为0.4、1、2、3、4、5、6mol/L)，吸附接触时间为120min，利用ICP-OES测量吸附前后不同水相中各元素的含量。

实施例4-10的吸附结果如图1所示，图1中横坐标为硝酸浓度，纵坐标为吸附分配系数。由图1可以看出，在硝酸浓度为2-3mol/L的情况下，本发明的方法对钾吸附分配系数高，而对其它金属离子几乎不吸附，尤其是在硝酸浓度为3mol/L时，钾吸附分配系数最高，且其它金属离子的吸附分配系数极小。因此，控制合适的硝酸浓度的情况下，本发明可实现钾和钠的高效分离，且钾元素的分离过程不受其它大量金属元素的影响。

实施例11-18

(1)将K、Cs、Li、Na、Mg、Ca、Sr、Ba、Mo、Zr、Ru、Y、Ni、Nd、Yb、La、Co、Fe的盐溶于硝酸溶液，配制成同时含有多种金属离子的硝酸溶液。溶液中每种金属离子的浓度为1.0×10^{- 3}M。硝酸溶度为3mol/L。

(2)将步骤(1)得到的含有多种金属离子的溶液与实施例2制备的吸附剂接触混合，混合时的用量比为：每3.0mL溶液对应0.15g吸附剂。

(3)将步骤(2)所得混合液在TAITECMM-10型振荡器上进行吸附实验，振荡器振荡速率为120rpm，室温298K下操作，在不同接触时间下(实施例11-18，对应的接触时间分别为5、10、30、60、120、180、240、300min)，利用ICP-OES测量吸附前后不同水相中各元素的含量。

实施例11-18的吸附结果如图2所示，图2中横坐标为接触时间，纵坐标为吸附分配系数。由图2可以看出，在各接触时间下，钾与其它元素均有明显的吸附分配系数的差别，吸附分配系数达到数百倍甚至上千倍。在接触时间较短的情况下(5min)，本发明方法即表现出较好的分离效果，当接触时间大于120min时，接触时间对吸附分配系数的影响不再明显。因此可选择在5-120min的接触时间下进行吸附分离。

实施例19-23

(1)将K、Cs、Li、Na、Mg、Ca、Sr、Ba、Mo、Zr、Ru、Y、Ni、Nd、Yb、La、Co、Fe的盐溶于硝酸溶液，配制成同时含有多种金属离子的硝酸溶液。溶液中每种金属离子的浓度为1.0×10^{- 3}M，硝酸溶度为3mol/L。

(2)将步骤(1)得到的含有多种金属离子的溶液与实施例3制备的吸附剂接触混合，混合时的用量比为：每3.0mL溶液对应0.15g吸附剂。

(3)将步骤(2)所得混合液在TAITECMM-10型振荡器上进行吸附实验，振荡器振荡速率为120rpm，接触时间180min下操作，在不同操作温度下(实施例19-23，对应的操作温度分别为298、303、308、313、318K)，利用ICP-OES测量吸附前后不同水相中各元素的含量。

实施例19-23的吸附结果如图3所示，图3中横坐标为温度，纵坐标为吸附分配系数。由图3可以看出，实施例3所得的吸附剂在不同的操作温度下均对钾有较好的吸附效果，而对其它金属离子几乎不吸附。在不同温度下，钾与其它元素均有明显的吸附分配系数的差别，操作温度仅对吸附分配系数有较小的影响，不影响钾与其它离子的分离效果。本发明方法优选在室温下操作。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种吸附分离钾和钠的方法，其特征在于，包括如下步骤：含有钾和钠的硝酸溶液与吸附剂混合，所述含有钾和钠的硝酸溶液中硝酸浓度为2-3.5mol/L；根据吸附剂对钾和钠吸附率的差异，对钾和钠进行分离，所述吸附剂由如结构式(I)所示的超分子化合物负载在结构式(II)所示的金属有机框架材料制成：

2.如权利要求1所述的吸附分离钾和钠的方法，其特征在于，所述含有钾和钠的硝酸溶液还包括其他金属元素的离子，所述其他金属元素为Li、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Mo、Zr、Ru、Y、Ni、Nd、Yb、La、Pd、Co、Fe中的至少一种。

3.如权利要求1所述的吸附分离钾和钠的方法，其特征在于，所述含有钾和钠的硝酸溶液中，每种金属离子的浓度为5.0×10^-4-5.0×10^-3M。

4.如权利要求1所述的吸附分离钾和钠的方法，其特征在于，所述硝酸浓度为3mol/L。

5.如权利要求1所述的吸附分离钾和钠的方法，其特征在于，含有钾和钠的溶液与吸附剂混合接触时间大于等于5min。

6.如权利要求1或5所述的吸附分离钾和钠的方法，其特征在于，含有钾和钠的溶液与吸附剂混合接触时间为5-120min。

7.如权利要求1所述的吸附分离钾和钠的方法，其特征在于，所述吸附剂的制备方法如下：

将如结构式(I)所示的超分子化合物溶解于二氯甲烷中，在所得溶液中加入结构式(II)所示金属有机框架材料混合均匀，经旋蒸干燥后，得到吸附剂。

8.如权利要求1所述的吸附分离钾和钠的方法，其特征在于，吸附过程的温度为298-313K。

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