DE69526242T2

DE69526242T2 - Verfahren zur abtrennung von cäsium aus industriellen, andere alkalimetalle enthaltenden strömen unter verwendung von poly(hydroxyarylen)polymerharzen

Info

Publication number: DE69526242T2
Application number: DE69526242T
Authority: DE
Inventors: L. Bruening; E. Krakowiak; Garren Maas; J. Tarbet
Original assignee: IBC Advanced Technologies Inc
Current assignee: IBC Advanced Technologies Inc
Priority date: 1994-11-04
Filing date: 1995-11-02
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2015-11-03
Also published as: US5656702A; RU2135284C1; EP0789608B1; DE69526242D1; JPH10510202A; ZA959312B; CA2204112C; EP0789608A4; WO1996014125A1; TR199501340A2; CN1082383C; JP3853361B2; EP0789608A1; IL115827A0; CN1164830A; AU4101896A; UA50724C2; IL115827A; US5789496A; CA2204112A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren für das Abtrennen von Cäsium aus industriellen Strömen, in denen das Cäsium Ion in einer Mischung mit anderen Alkalimetallkationen und anderen Chemikalien vorliegt, die in wesentlich höheren Konzentrationen vorhanden sein können, durch Verwendung eines poly(hydroxyarylen)Liganden-haltigen Polymerharzes. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Entfernung von Cäsium Ionen aus einer Mischung mit anderen Alkalimetallkationen in Lösung, durch Bildung eines Komplexes des Cs-Kations mit Verbindungen die aus poly(hydroxyarylen) Liganden-haltigen Polymerharzen bestehen, durch durchströmen lassen derartiger Lösungen durch eine Kolonne oder ähnliche Mittel, gepackt mit solchen poly(hydroxyarylen) Ligandenhaltigen Polymerharzen und dann selektives Aufbrechen des Komplexes des Cäsiums von dem Ligandenanteil der Polymerharze an das die Cäsium Ionen gebunden sind. Die Aufnahmelösung wird in einem kleineren Volumen verwendet, um die abgetrennten Cäsium Kationen zu entfernen und zu konzentrieren, gegenüber dem Originalvolumen der Lösung, die durch die Kolonne geleitet wurde. Die Cäsium Kationen, die so entfernt wurden können dann mittels bekannter Verfahren zurückgewonnen werden. Auch kann die Quelllösung aus der das Cäsium entfernt wurde zusätzlich behandelt werden, verwendet oder entsorgt werden.

Technologischer Hintergrund der Erfindung

Die Abtrennung von Spurenmengen von Cäsium Kationen aus industriellen Abwasserlösungen, die andere Alkalimetallkationen und/oder andere Chemikalien enthalten, ist schwierig, aber es handelt sich um einen kommerziell bedeutungsvollen Trennprozess. Industrien, in denen solche Trennverfahren vorteilhaft sind, umfassen die Halbleiterindustrie, die Aufbereitung von Nuklearabfällen, die Metallvergütung, Elektroindustrie und andere industrielle Unternehmen. Die Abtrennungen sind schwierig, da das zu entfernende Cäsium häufig nur in Konzentrationen vorhanden ist, die von parts-per-trillion (ppt) bis zu niedrigen parts- per-million (ppm) Mengen reichen und außerdem von anderen Alkalimetallen abgetrennt werden müssen, die in Konzentrationen bis zu mehreren Molen vorhanden sein können. Somit ist ein Kinetisch schnelles, hoch selektives und stark thermodynamisch interaktives Material für die Abtrennungen erforderlich.
Cs und Sr sind zwei der bedeutendsten radioaktiven Verunreinigungen in Nuklearabfällen. Dies liegt daran, dass ¹³&sup7;Cs und &sup9;&sup0;Sr etwa 98% der thermischen Energie und 97% der durchdringenden Strahlung während der ersten 30 Jahre nach Bildung des Nuklearabfalls beisteuern. Es ist daher höchst wünschenswert, diese Elemente selektiv zu entfernen, um die Sicherheit zu erhöhen und das Volumen an Nuklearabfall zu verringern, welches auf eine langzeitgeologische Abfalldeponie für Nuklearabfälle überführt wird. Außerdem sind in verdünnten radioaktiven Verunreinigungen wie zum Beispiel im Grundwasser Cs und Sr virtuell die einzigen radioaktiven Abfallprobleme, die einer Behandlung bedürfen. Der Bedarf für beide Typen von Cs und Sr Behandlungen liegt an vielen Stellen in der USA vor sowie auch in anderen Ländern in der ganzen Welt.
In der Vergangenheit waren die Verfahren zur Entfernung von Cäsium aus Nuklearabfallströmen ineffizient. Ein paar organische und anorganische Ionenaustauschpolymere wurden hergestellt mittels verschiedener Methoden für die Cs- Trennung. Eine Klasse solcher Materialien ist ein Polymer vom Phenol-Formaldehyd Typ, bei dem ein Hydroxybenzol, wie zum Beispiel Phenol (das heißt CS-100, welches früher hergestellt und verkauft wurde bei Rohm & Haas) oder Resorcinol, welches man mit Formaldehyd zur Reaktion bringt, über eine Hydroxymethylierung, und dann weiter kondensiert zur Bildung einer Methylenverknüpfung zwischen Benzolringen in der Gegenwart einer Base oder Säure zur Herstellung eines festen glasartigen Polymeren welches Ionenaustauscheigenschaften hat. Siehe zum Beispiel US-A-4 432 159. Diese Materialien sind von begrenzter Selektivität, auch wenn sie eine gewisse Funktion bei der Komplexeierung von Cäsium Ionen haben. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn große Konzentrationen von Kalium oder Natrium anwesend sind. Die anorganischen Ionenaustauschmaterialien wie beispielsweise Crystalline silicotitanates (Sandia National Laboratory)und Ferricyanide- Basis-Materialien, haben entweder zu geringe Selektivität oder sind nicht auswaschbar oder liegen nicht in einem ausreichend stabilen und praktisch verwendbaren Format für einen effektiven Gebrauch vor.
Calixarene und verwandte polyhydroxyaromatische Moleküle haben bekanntermaßen eine extrem hohe Selektivität im Hinblick auf Cäsium Ionen, R. M. Izatt et al., 105 J. Am. Chem. Soc. 1782 (1983); Calixarenes, A Versatile Class of Macrocyclic Compounds (J. Vicens & V. Bohmer eds., 1991); C. D. Gutsche, Calixarenes (1989). Jedoch müssen zur Verwendung diese Moleküle bei der Durchführung von Trennungen in Systeme eingebunden werden, bei dem das Cäsium selektiv an einem Phasenaustausch beteiligt ist. Frühere Versuche, die polyhydroxyaromatischen Moleküle in Cäsium Trennsystemen einzubinden umfassten die Lösungsmittel Extraktion und Flüssigmembransysteme, R. M. Izatt et al., 105 J. Am. Chem. Soc. 1782. (1983); Calixarenes, A Versatile Class of Macrocyclic Compounds (J. Vicens & V. Bohmer eds., 1991); C. D. Gutsche, Calixarenes (1989). Diese Systeme haben die Nachteile der Verwendung eines organischen Lösungsmittels in dem System, einer relativ langsamen Kinetik, eines Verlusts an Effizienz wenn die Cäsium Speisekonzentrationen sinken, Verluste des teuren Moleküls in die wässrige Phase, die Bildung von Emulsionen während des Trennprozesses und andere Schwierigkeiten. Außerdem sind diese Materialien relativ hydrophob und behalten nicht notwendigerweise Eigenschaften für die Verwendung zur Abtrennung von Cäsium aus wässrigen Systemen.
Es wäre wünschenswert, hydroxyaromatische Liganden zu stabilen hydrophilen polymeren festen Harzen umzuwandeln, wobei die selektiven Eigenschaften der hydroxyaromatischen Liganden für Cäsium Kationen aufrecht erhalten werden in einem aktuellen Trennsystem und wobei die Liganden effizient wiederverwendet werden können mit rascher Kinetik zur Verwendung 100-fach oder 1000-fach für solche Trennungen. Die Wiederverwendung solcher Liganden macht ihre Anwendung ökonomisch und bedeutsam für die industrielle Anwendung. Diese Ziele werden erreicht mittels der Kondensation eines Formaldehyds mit einem poly(hydroxyarylen)-Liganden und gegebenenfalls anderen alkoxy- oder hydroxyaromatischen Verbindungen oder methylierten hydroxyaromatischen Verbindungen zur Bildung eines Polymerharzes und die Verwendung eines solchen poly(hydroxyarylen)-haltigen Polymerharzes in aktuellen Trennverfahren.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird zur Verfügung gestellt:
Ein Verfahren zur Konzentration, Entfernung und Abtrennung von Cäsium Kationen aus einer Quelllösung, die andere Alkalimetallkationen enthält, umfassend,
(a) das in Kontakt bringen dieser Quelllösung, die ein erstes Volumen hat mit einem poly(hydroxyarylen) Liganden-haltigen Polymerharz, welches ein Reaktionsprodukt ist eines poly(hydroxyarylen) Liganden, und Formaldehyd und gegebenenfalls einer anderen alkoxy- oder hydroxyaromatischen Verbindung oder einer methylierten hydroxyaromatischen Verbindung zur Bildung eines Harzes, welches zwischen etwa 5 und etwa 100 Mol-Prozent des poly(hydroxyarylen)-Liganden enthält; dieser Ligandenanteil des Polymerharzes hat eine Affinität für Cäsium Kationen zur Bildung eines Komplexes zwischen den Cäsium Kationen und dem poly(hydroxyarylen)-haltigen Ligandenanteils des Polymerharzes;
(b) Entfernen der Quelllösung aus dem Kontakt mit diesem Polymerharz, an das die Cäsium Kationen komplexiert wurden; und
(c) in Kontaktbringen des Polymerharzes, welches die Cäsium Kationen komplexiert mit einem kleineren Volumen einer wässrigen Aufnahmelösung, in der diese Cäsium Kationen löslich sind und die eine größere Affinität für die Cäsium Kationen hat als der poly(hydroxyarylen) Ligand oder diesen Liganden protoniert, wobei quantitativ diese Cäsium Kationen von dem Liganden gestrippt werden und wiedergewinnen des Cäsiums in konzentrierter Form in der Aufnahmelösung, wobei der poly(hydroxyarylen) Ligand ein Mitglied ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus
Worin R niederes Alkyl ist.
In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein poly(hydroxyarylen) Liganden-haltiges Polymerharz zur Verfügung gestellt, welches ein Reaktionsprodukt ist zwischen dem genannten poly(hydroxyarylen)-Liganden Formaldehyd und gegebenenfalls einer anderen alkoxy- oder hydroxyaromatischen Verbindung oder einer methylierten aromatischen Verbindung, zur Bildung eines Harzes welches zwischen etwa 5 und 100 Mol-Prozent eines poly(hydroxyarylen)-Liganden enthält, wobei dieser poly(hydroxyarylen)-ligand ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus:
Worin R niederes Alkyl ist
Es ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung die selektive Entfernung von Cäsium Kationen aus industriellen Strömen betrifft, insbesondere Nuklearabfallströmen, welche diese Cäsium Ionen zusammen mit anderen Alkalimetallionen enthalten, die in größeren Konzentrationen anwesend sein können, aber nicht Ziel der Entfernung mittels der poly(hydroxyarylen)-haltigen Polymerharze sind. Diese Cäsium Ionen die aus solchen Strömen abgetrennt wurden werden dann entfernt von dem Liganden durch Elution unter Verwendung einer Aufnahmeflüssigkeit. Mit anderen Alkalimetallen sind solche Metalle des Periodensystems der Klassifikation I a gemeint, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Lithium, Natrium, Kalium und Rubidium. Andere Metallkationen, das heißt Erdalkalimetalle und Übergangsmetallkationen können ebenfalls in solchen industriellen Strömen anwesend sein. Die poly(hydroxyarylen)-Liganden sind solche, die ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Calix[6]aren, Calix[8]aren, Alkyloctolen und Phlorogluciden. Diese Liganden werden wiedergegeben durch die Formeln I bis IV wie folgt:
Worin, in Formel III, R niederes Alkyl ist und vorzugsweise Propyl, Die Pfeile geben reaktive Stellen an den unterschiedlichen poly(hydroxyarylen)-Liganden an. Alle äquivalenten Stellen sind gleich reaktiv für Hydroxymethylierungsreaktionen. Die Polymerharze werden hergestellt durch reagieren lassen der poly(hydroxyarylen)- Liganden mit Formaldehyd und gegebenenfalls anderen alkoxy- oder hydroxyaromatischen Verbindungen oder methylierten hydroxyaromatischen Verbindungen. Die Reaktion erfolgt durch die Hydroxymethylierung eines der aromatischen Ringe des poly(hydroxyarylen)-Liganden mittels Formaldehyd in der Gegenwart einer starken Säure oder Base gefolgt von der Kondensation mit einem anderen alkoxy- oder hydroxysubstituierten aromatischen Ring, wobei eine Methylenverknüpfung zwischen dem poly(hydroxyarylen)-Liganden und dem anderen substituierten aromatischen Ring erfolgt, der auch ein poly(hydroxyarylen)-ligand sein kann oder eine alkoxy- oder hydroxysubstituierte aromatische Verbindung wie beispielsweise Phenol oder Phenolderivate, wie zum Beispiel Resorcin oder Naphthol, substituierte Methoxybenzole wie beispielsweise 1,3-Dimethoxybenzol und andere ähnliche Verbindungen die mit Formaldehyd reaktiv sind. Es wird angenommen, dass die Anwesenheit dieser alkoxy- oder hydroxysubstituierten aromatischen Verbindungen in dem Polymerharz die Menge an Kationen reduziert wie beispielsweise Na&spplus; und K&spplus;, die aus der Quelllösung zusammen mit Cs abgetrennt werden wenn ein Copolymeres verwendet wird.
Die Kondensationsreaktion erfolgt folgendermaßen:
Ar + HCHO → ArCH&sub2;OH
ArCH&sub2;OH + Ar → ArCH&sub2;Ar
Die Polymerisationsreaktion erfolgt mit multiplen Reaktionsstellen an jedem poly(hydroxyarylen)-Liganden wie durch die Pfeile angegeben ist. Außerdem haben alkoxy- oder hydroxyaromatische Verbindungen wie Phenol und Resorcin multiple Reaktionsstellen und daher verläuft die Kondensationsreaktion schrittweise durch Polymerisation unter Bildung eines Netzwerks von kreuzvernüpften aromatischen Ringen die über Methylenbrücken verbunden sind, wie dies für Harze vom Phenol-Formaldehyd Typ typisch ist. Daher variiert die Zusammensetzung des Polymeren. Die Polymerharze sind glasige Feststoffe, die zerdrückt werden können und hydrophil sind. Sie sind Rettichbraun in der Farbe und schrumpfen oder schwellen nur leicht.
Während die Zusammensetzung variiert, besteht der aktive poly(hydroxyarylen)-Ligandenanteil aus zwischen 5 und 100 Molprozent des Polymeren.
Die poly(hydroxyarylen)-Liganden-haltigen Polymerharze sind charakterisiert durch Selektivität für und Entfernung von Cäsium Ionen die in den Ausgangslösungen vorhanden sind. Solche Quelllösungen sind gewöhnlich hoch basisch im pH als nukleare Abfallentsorgungslösungen, neutral oder basisch im pH als industrielle Abwasserströme oder kontaminierte Grundwasserströme. Wie oben erwähnt wurde sind die Ionen in solchen Strömen anwesend, die durch die Halbleiter oder Nuklearabfallreinigung hergestellt wurden, Metallraffination, Elektroindustrie und andere industrielle Unternehmen. Die zu entfernenden Cäsium Ionen sind im allgemeinen in geringen Konzentrationen anwesend und liegen im Gemisch mit anderen Alkalimetallkationen und komplexierenden oder chemischen Reagentien vor, die nicht entfernt werden sollen, die aber in wesentlich größeren Konzentrationen in der Lösung vorhanden sind. Die Abtrennung erfolgt in einer Trennvorrichtung wie beispielsweise eine Kolonne, durch die man die Lösung strömen lässt.
Der Prozess des selektiven Entfernens und Konzentrierens der Cäsium Kationen wird charakterisiert durch die Fähigkeit Cäsium, welches in geringen Konzentrationen anwesend ist quantitativ und selektiv aus einem größeren Lösungsvolumen zu komplexieren. Die Cäsium Kationen werden aus der Trennkolonne gewonnen durch durchströmen lassen eines kleinen Volumens einer ersten Aufnahmelösung, die die Reagentien enthält, die quantitativ Cäsium Ionen von der Kolonne entfernen. Die Rückgewinnung abgetrennter Cäsium Kationen aus der Aufnahmephase oder Flüssigkeit kann dann mittels bekannter Methoden erfolgen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Wie bereits oben zusammengefasst wurde betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung verschiedener poly(hydroxyarylen)-Liganden-haltiger Polymerharze zur Entfernung, Konzentration und Abtrennung von Cäsium Kationen aus Lösungen, die andere Alkalimetallkationen enthalten und aus nuklearen Abfallströmen insbesondere solche Lösungen, aus denen Cäsium Kationen herauskonzentriert, abgetrennt und/oder wiedergewonnen werden sollen werden hierin nachfolgend als Quelllösungen bezeichnet. In vielen Fällen kann die Konzentration von Cäsium in der Quelllösung wesentlich geringer sein als die Konzentration anderer Alkaimetallkationen und anderer Kationen von denen Cäsium abzutrennen ist.
Die Entfernung und Konzentration des Cäsiums erfolgt durch Bildung eines Liganden-Komplexes ausgewählter Cäsium Kationen mit einem Polymerharz, welches einen aktiven Moleanteil eines poly(hydroxyarylen)-Liganden enthält, wiedergegeben durch die Formeln I bis IV, durch hindurchströmen lassen einer Quelllösung die Cs und andere Kationen enthält durch eine Kolonne, die mit dem Harz gepackt ist, um die Cäsium Kationen anzuziehen und zu binden an den poly(hydroxyarylen)-Liganden Anteil des Harzes. Die Cäsium Ionen, die so komplexiert wurden an den Liganden, werden selektiv entfernt von der Verbindung durch Aufbrechen des Liganden-Kationenkomplexes durch hindurchströmen lassen einer Aufnahmelösung durch die Kolonne. Die Aufnahmelösung wird in wesentlich kleineren Volumina verwendet als das Volumen der ursprünglichen Quelllösung ist, so dass die Cäsium Kationen die in der Aufnahmeflüssigkeit gewonnen werden in konzentrierter Form im Vergleich zur Quelllösung vorliegen. Die Aufnahmelösungen oder Wiedergewinnungslösungen sind wässrige Lösungen, in denen die Cäsium Kationen löslich sind und die eine größere Affinität für die Cäsium Kationen haben als der poly(hydroxyarylen)-Ligand oder die den Liganden Protonieren. In jedem Fall werden die Cäsium Kationen quantitativ von dem Liganden gestrippt, in konzentrierter Form in der Aufnahmelösung. Wenn sie sich einmal in der Aufnahmelösung befinden, kann die Wiedergewinnung des Cäsiums notfalls mittels bekannter Methoden erfolgen.
Die poly(hydroxyarylen)-Liganden-haltigen Polymerharze, die die Liganden gemäß der Formeln I bis IV enthalten, können mittels verschiedener Methoden wie sie oben beschrieben wurden und in den Ausführungsbeispielen erläutert werden hergestellt werden, wie sich aus den nachfolgenden Beispielen ergibt.

Beispiel 1

Ein Polymer wurde hergestellt aus Resorcin, Formaldehyd und Calix [6] aren. Das Calix [6] aren wurde hergestellt mittels bekannter Methoden C. D. Gusche et al., 68 Org. Synth. 238 (1990). In einem Dreihals-Rundkolben ausgerüstet mit einem mechanischen Rührer und einem Kondensator wurden 6,6 g Resorcin, 6,6 g Calix[6]aren und 4,8 g NaOH zusammengegeben. Die Reaktion wurde aufrechterhalten unter Stickstoff während der Polymerisation. Die Mischung wurde auf Rückfluss gebracht und Calcium Carbonat (12 g) wurden zugegeben und die Lösung wurde für 5 bis 45 Minuten gemischt. Als nächstes wurde Formaldehyd (36 g) langsam zugegeben in 37 prozentiger Lösung in Wasser. Die Mischung wurde über Nacht unter Rückfluss gehalten. Das Wasser wurde dann unter reduziertem Druck entfernt und das erhaltene Material wurde über Nacht in einem Vakuumtrocknungsofen bei 30º bis 75ºC getrocknet. Das getrocknete Polymere wurde dann in einen Kelch mit Wasser gegeben und mit HCl angesäuert. Die Mischung wurde für 6 bis 24 Stunden gerührt, filtriert und getrocknet. Das erhaltene Polymerprodukt hatte einen Calix[6]aren Gehalt von etwa 17 Molprozent und wurde im Hinblick auf seine Ionenbindungseigenschaften getestet.

Beispiel 2

Das Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt mit Ausnahme, dass Phenol (7 g) an die Stelle von Resorcin trat. Das erhaltene Polymerprodukt hatte einen Calix[6]aren Gehalt von etwa 14 Molprozent und wurde dann im Hinblick auf seine Ionenbindungseigenschaften getestet.

Beispiel 3

Das Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass Phloroglucid an die Stelle trat von Resorcin und Calix[6]aren. Das erhaltene Polymerprodukt hatte einen Phloroglucidgehalt von etwa 100 Molprozent und wurde getestet im Hinblick auf die Ionenbindungseigenschaften.

Beispiel 4

Das Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass 1,3-Dimethoxybenzol (7 g) an die Stelle von Resorcin trat und die Reaktion wurde unter Rückfluss für 124 bis 180 Stunden ausgeführt, bevor das Wasser unter reduziertem Druck entfernt wurde. Das resultierende Polymerprodukt hatte einen Calix[6]aren Gehalt von etwa 17 Molprozent und wurde untersucht im Hinblick auf seine Ionenbindungseigenschaften.

Beispiel 5

Das Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass Propyl-Octol (6,6 g) an die Stelle von Calix[6]aren trat. Das Octol wurde hergestellt gemäß 54 J. Org. Chem 1305 (1989), wobei die R Gruppe Propyl war. Das erhaltene Polymerprodukt hatte einen Propyl-Octol-Gehalt von etwa 20 Molprozent und wurde dann untersucht auf seine Ionenbindungseigenschaften.

Beispiel 6

Das Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass Propyl-Octol an die Stelle von Resorcin und Calix[6]aren trat. Das erhaltene Polymerprodukt hatte einen Propyl-Octol Gehalt von etwa 100 Molprozent und wurde dann im Hinblick auf seine Ionenbindungseigenschaften getestet.

Beispiel 7

Das Verfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass Calix[8]aren (6,6 g) an die Stelle von Calix[6]aren trat. Das erhaltene Polymerprodukt hatte einen Calix[8]aren Gehalt von etwa 16 Molprozent und wurde dann getestet im Hinblick auf seine Ionenbindungseigenschaften.
Das Verfahren des selektiven und quantitativen Konzentrierens und Entfernen des Cäsiums, welches in geringen Konzentrationen vorhanden ist, aus einer Mehrzahl von anderen Alkalimetallen und eventuell anderen Kationen, die anwesend sein können in wesentlich höheren Konzentrationen, umfasst (a) das in Kontaktbringen der multiple Ionen enthaltenen Quelllösung mit einem poly(hydroxyarylen)-Liganden-haltigen Polymerharz, wobei der Ligand den Formeln I bis IV entspricht, was die Cäsiumspezies dazu bringt mit dem poly(hydroxyarylen)-Liganden Anteil des Harzes einen Komplex einzugehen und (b) das nachfolgende Aufbrechen oder Strippen der komplexierten Cäsium Kationen mit einer Aufnahmelösung in der (e) die Cäsium Ionen löslich sind und (ii) die Aufnahmelösung eine größere Affinität für die Cäsium Ionen hat als der poly(hydroxyarylen)-Ligand oder den Liganden protoniert und so das Cäsium von dem Liganden entfernt. Die Aufnahme- oder Rückgewinnungslösung enthält Cäsium Ionen in konzentrierter Form.
Das Polymerharz enthaltend die poly(hydroxyarylen)-Liganden (PR-L) dient dazu das Cäsium Ion (Cs) als kationischen Komplex anzuziehen gemäß Formel V.
PR-L + Cs → PR-L : Cs (Formel V)
Worin PR für das Polymerharz steht und L für den poly(hydroxyarylen)-Ligandenanteil des Harzes steht. Cs steht für das zu entfernende Cäsium Ion.
Wenn einmal die Cäsium Ionen an die poly(hydroxyarylen)- Liganden-haltigen Polymerharze gebunden ist, werden nachfolgend diese komplexierten Cäsium Kationen von dem Harz getrennt in einer separaten Aufnahmelösung durch Verwendung eines kleineren Volumens an Aufnahmeflüssigkeit gemäß der Formel VI.
PR-L : Cs + RL → PR-L + RL : CS Formel VI
In der RL für die Aufnahmeflüssigkeit steht.
Eine bevorzugte hierin beschriebene Ausführungsform umfasst die Durchführung des Verfahrens durch in Kontakt bringen eines großen Volumens der Quelllösung, die multiple Ionen gemäß obiger Definition enthält, wobei diese Lösung große Konzentrationen an Na und K Ionen enthalten kann und außerdem ebenfalls andere komplexierende und/oder Chelat Agentien enthalten kann, mit einem poly(hydroxyarylen)-Ligandenhaltigen Polymerharz in einer Trennkolonne, durch die die Quelllösung zunächst hindurchströmt, um die Cäsium Kationen mit dem poly(hydroxyarylen)-Liganden Polymerharz zu komplexieren wie in Formel V oben angegeben wurde, gefolgt von dem nachfolgenden Durchströmen eines kleineren Volumens einer Aufnahmelösung wie oben bei Formel VI angegeben durch die Kolonne.
Beispielhaft für Aufnahmeflüssigkeiten, die die Cäsium Kationen von dem Liganden strippen sind 0,5 M HNO&sub3;, 0,5-6 M HCL, 0,5-1 M H&sub2;SO&sub4;, 1 M Essigsäure und dergleichen und jegliche andere, die ähnliche Eigenschaften haben, die es erlauben, dass die Cs Kationen von der Kolonne gestrippt werden. Der Grad oder die Menge der Konzentration an Aufnahmeflüssigkeit hängt offensichtlich ab von der Konzentration der Cs Kationen in der Quelllösung und dem Volumen der Quelllösung, welches zu behandeln ist. Die spezifischen Aufnahmeflüssigkeiten, die verwendet werden, sind ebenfalls ein Faktor. Allgemein gesprochen, liegt die Konzentration von Cs Ionen in der Aufnahmeflüssigkeit zwischen dem 20-fachen und 1.000.000-fachen der jeweiligen Konzentration in der Quelllösung. Andere equivalente Apparaturen können ebenfalls anstelle einer Kolonne verwendet werden, beispielsweise eine Aufschlämmung, die gefiltert wird und dann mit der Aufnahmeflüssigkeit gewaschen wird, um die Komplexe aufzubrechen und die Cs Kationen zu entfernen. Die konzentrierten Cs Kationen werden dann wiedergewonnen von der Aufnahmeflüssigkeit mittels bekannter herkömmlicher Verfahren, die dem Fachmann geläufig sind.
Die nachfolgenden Beispiele erläutern wie die poly(hydroxyarylen)-Liganden-haltigen Polymerharze verwendet werden, um Cs Kationen zu entfernen, konzentrieren und abzutrennen wenn sie in bestimmten Quelllösungen anwesend sind. Der harzhaltige poly(hydroxyarylen)-Ligand wird in eine Kolonne gebracht. Eine wässrige Quelllösung enthaltend eine Mischung aus bestimmten Cs und anderen Alkalimetallkationen, einschließlich anderen Metallionen, die in einer wesentlich größeren Konzentration anwesend sein können, wird durch die Kolonne geleitet. Die Strömungsrate der Lösung kann erhöht werden durch Anwendung von Druck mit einer Pumpe am oberen oder unteren Ende der Kolonne oder Anwendung eines Vakuums in einem Aufnahmegefäß. Nachdem die Quelllösung durch die Kolonne geleitet wurde, wird ein wesentlich geringeres Volumen einer Wiedergewinnungslösung (Aufnahmeflüssigkeit), das heißt wässrige Lösungen, in denen (a) die Cäsium Kationen löslich sind und (b) die Aufnahmelösung eine größere Affinität für die Cäsium Kationen hat als dies der poly(hydroxyarylen)-Ligand tut oder den Liganden protoniert, so dass die Cs Ionen gezwungen werden, den Liganden zu verlassen, durch die Kolonne geschickt. Die Wiedergewinnungslösung (Aufnahmeflüssigkeit) strippt die Cs Kationen und sammelt sie. Diese Cs Kationen sind dann in konzentrierter Form für die anschließende Wiedergewinnung vorhanden. Die vorgenannten Auflistungen an Aufnahmelösungen sind beispielhaft und andere Aufnahmelösungen können ebenfalls verwendet werden. Die einzige Beschränkung im Hinblick auf die Aufnahmelösung ist ihre Fähigkeit, die Funktion zu haben, die Cs Kationen von dem poly(hydroxyarylen)-Liganden zu entfernen.
Die nachfolgenden Beispiele für Trennungen und Wiedergewinnungen von Cs Kationen verwenden die Polymerharze die die poly(hydroxyarylen)-Liganden enthalten, die gemäß der Beschreibung in den Beispielen 1 bis 7 hergestellt wurden. Diese Beispiele sind nur erläuternd und nicht abschließend für die vielen Trennungen von Cs Ionen, die möglich sind unter Verwendung der erfindungsgemäßen Polymerharze.

Beispiel 8

In diesem Beispiel wurden 0,1 g des Polymermaterials aus Beispiel 1 in eine Kolonne gebracht. Eine 100 ml Speiselösung mit 10 ppm Cs in 0,1 M Na&sub2;Co&sub3; wurde durch die Kolonne geschickt unter Verwendung der Schwerkraftströmung. Die Kolonne wurde dann gewaschen mit 5 ml deionisiertem Wasser zur Entfernung der Na Ionen. Schließlich wurde das Cs eluiert unter Verwendung von 5 ml an 0,5 M HNO&sub3; als Rückgewinnungslösung. Flammen AA-spektrophotometrische Analyse zeigte, dass das Cs aus der Speiselösung bis zu einem Grad von unterhalb 1 ppm entsprechend dem Bestimmungslevel entfernt wurde und dass mehr als 95% des ursprünglich in der 100 ml Speiselösung vorhandenen Cs sich in der 5 ml Rückgewinnungslösung befanden.

Beispiel 9

In diesem Beispiel wurden 0,1 g an Polymermaterial gemäß Beispiel 2 in eine Kolonne gebracht. Eine 100 ml Speiselösung mit 10 ppm Cs in 0,1 M KNO&sub3; plus 4 M NaNO&sub3; plus 1 M NaOH wurden durch die Kolonne geschickt unter Verwendung der Schwerkraftströmung. Die Kolonne wurde dann gewaschen mit 5 ml deionisiertem Wasser zur Entfernung der K und Na Ionen. Schließlich wurde das Cs eluiert unter Verwendung von 5 ml an 0,5 M HNO&sub3; als Rückgewinnungslösung. Flammen AA- spektrophotometrische Analyse zeigte, dass das Cs aus der Speiselösung bis zu einem Spiegel unterhalb des 1 ppm Bestimmungslevels entfernt wurde und dass mehr als 95% des Cs, welches sich ursprünglich in der 100 ml Speiselösung befand, in die 5 ml Rückgewinnungslösung übergegangen war.

Beispiel 10

In diesem Beispiel wurden 0,1 g an Polymermaterial aus Beispiel 3 in eine Kolonne gebracht. Im übrigen wurde das Verfahren in gleicher Weise wie in Beispiel 9 wiederholt und die Ergebnisse waren die gleichen.

Beispiel 11

In diesem Beispiel wurden 0,1 g des Materials aus Beispiel 4 in eine Kolonne gebracht. Eine 100 ml Speiselösung von 10 ppm Cs in 5 · 10&supmin;&sup5; M RbNO&sub3;, 0,43 M AL (NO&sub3;)&sub3;, 0,15 M Na&sub2;SO&sub4;, 3,4 M Na OH, 0,23 M Na&sub2;CO&sub3;, 0,43 M NaNO&sub2;, 1,67 M NaNO&sub3;, 0,089 M Na F und 0,025 M Na3PO&sub4; wurden durch die Kolonne unter Ausnutzung der Schwerkraftströmung geschickt. Diese Lösung ist in der Zusammensetzung gleich mit vielen überschüssigen Lösungen in nuklearen Abwassertanks in der DOE Hanford, Niederlassung, Washington. Die Kolonne wurde dann mit 5 ml an 2 M NaOH gewaschen gefolgt von 5 ml entionisiertem Wasser zur Entfernung der anderen anwesenden Elemente. Schließlich wurde das Cs eluiert unter Verwendung von 5 ml an 0,5 M HNO&sub3; als Rückgewinnungslösung. Flammen AA-spektrophotometrie Analyse zeigte, dass das Cs aus der Speiselösung bis zu einem Level unterhalb des 1 ppm Bestimmungslevels entfernt wurde und dass mehr als 95% an Cäsium welches ursprünglich in der 100 ml Speiselösung vorlag in der 5 ml Rückgewinnungslösung war, und dass Na und Al Spiegel unterhalb des Bestimmungsspiegels in der Rückgewinnungslösung vorhanden waren.

Beispiel 12

Das Verfahren gemäß Beispiel 11 wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass 0,12 M KNO&sub3; ebenfalls zur Speiselösung gegeben wurden. Die Ergebnisse waren damit ähnlich wie diejenigen in Beispiel 11. Die Fähigkeit, den Cs-Trenneffekt durchzuführen ebenso effektiv, wenn Kalium anwesend ist, ist von Bedeutung, da an diesem Punkt die meisten Systeme aus dem Stand der Technik scheitern. Ein solches System ist das Cs-100 Ionen Austauschsystem, welches ein Phenol/Formaldehyd Polymeres enthält, sowie auch verwandte Resorcin/Formaldehyd Polymere.

Beispiel 13

In diesem Beispiel wurden 0,1 g an polymerem Material aus Beispiel 5 in die Kolonne gebracht. Im übrigen war das Verfahren das gleiche wie in Beispiel 9 und die Ergebnisse waren die gleichen.
Obgleich die Erfindung beschrieben und erläutert wurde unter Bezug auf gewisse spezifische Polymerharze, die poly(hydroxyarylen)-Liganden nach den Formeln I bis IV enthielten sowie das Verfahren zu deren Verwendung, liegen andere Analoge dieser poly(hydroxyarylen)-Liganden ebenfalls im Schutzumfang der Erfindung wie sie in den nachfolgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

1. Verfahren zur Konzentration, Entfernung und Trennung von Cäsiumkationen aus einer Quelllösung enthaltend andere Alkalimetallkationen, umfassend,

(a) das Inkontaktbringen dieser Ausgangslösung, die ein erstes Volumen aufweist, mit einem Poly(Hydroxyarylen) ligandenhaltigen Polymerharz, welches ein Reaktionsprodukt dieses Poly(Hydroxyarylen) Liganden, Formaldehyd und gegebenenfalls einer anderen alkoxy- oder hydroxyaromatischen Verbindung ist oder einer methylierten hydroxyaromatischen Verbindung, um ein Harz zu bilden, welches von etwa 5 bis 100 Molprozent des Poly(Hydroxyarylen) Liganden aufweist, wobei dieser Ligandenanteil dieses Polymerharzes eine Affinität für Cäsiumkationen hat, um einen Komplex zwischen den Cäsiumkationen und diesem Poly(Hydroxyarylen)- haltigen Ligandenanteil des Polymerharzes zu schaffen;

(b) Entfernen der Ausgangslösung, so dass diese keinen Kontakt mehr mit dem Polymerharz hat mittels dessen die Cäsiumkationen komplexiert wurden; und

(c) Inkontaktbringen dieses Polymerharzes mit den Cäsiumkationen, die daran komplexiert sind, mit einem geringeren Volumen einer wässrigen Aufnahmelösung, in der diese Cäsiumkationen löslich sind und die eine größere Affinität für die Cäsiumkationen aufweist als der Poly(Hydroxyarylen) Ligand oder diesen Liganden protoniert, wobei diese Cäsiumkationen quantitativ von dem Liganden gestrippt werden und Rückgewinnen des Cäsiums in konzentrierter Form in diese Aufnahmelösung, wobei der Poly(Hydroxyarylen) Ligand ein Mitglied ausgewählt aus der Gruppe ist bestehend aus:

worin R ein niederes Alkyl ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, in dem der Poly(Hydroxyarylen) Ligand ist:

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Poly(Hydroxyarylen) Ligand ist:

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Poly(Hydroxyarylen) Ligand ist:

worin R ein niederes Alkyl ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, worin R Propyl ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Poly(Hydroxyarylen) Ligand ist:

7. Verfahren nach Anspruch 1, worin das den Poly(Hydroxyarylen) Liganden enthaltende Polymerharz in einer gepackten Kolonne enthalten ist und worin die Ausgangslösung zunächst durch die gepackte Kolonne hindurchgeschickt wird, um die Bildung eines Komplexes zu ermöglichen zwischen den Cäsiumkationen und dem Polymerharz, woraufhin das Strippen der Cäsiumkationen aus dem Polymerharz erfolgt durch Hindurchströmenlassen dieses Volumens dieser Aufnahmelösung durch die gepackte Kolonne und Wiedergewinnen der Cäsiumkationen in konzentrierter Form in der Aufnahmelösung.

8. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Aufnahmelösung irgendeine Lösung ist, die Eigenschaften hat, die es ermöglichen, dass die Cäsiumkationen aus dem Poly(Hydroxyarylen) Liganden in der Kolonne herausgebrochen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Aufnahmelösung ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus 0,5 M HNO&sub3;, 0,5-6 M HCl, 0,5-1 M H&sub2;SO&sub4; und 1 M Essigsäure.

10. Ein Poly(Hydroxyarylen) ligandenhaltiges Polymerharz, welches ein Reaktionsprodukt des Poly(Hydroxyarylen) Liganden, Formaldehyd und gegebenenfalls einer anderen alkoxy- oder hydroxyaromatischen Verbindung oder methylierten hydroxyaromatischen Verbindung ist, zur Bildung eines Harzes, welches von etwa 5 bis etwa 100 Molprozent eines Poly(Hydroxyarylen) Liganden aufweist, wobei der Poly(Hydroxyarylen) Ligand ein Mitglied ausgewählt aus der Gruppe ist bestehend aus:

,worin R niederes Alkyl ist.

11. Ein Polymerharz gemäß Anspruch 10, bei dem der Poly(Hydroxyarylen) Ligand ist:

12. Ein Polymerharz gemäß Anspruch 10, bei dem der Poly(Hydroxyarylen) Ligand ist:

13. Ein Polymerharz gemäß Anspruch 10, bei dem der Poly(Hydroxyarylen) Ligand ist:

worin R niederes Alkyl ist.

14. Ein Polymerharz gemäß Anspruch 13, worin R Propyl ist.

15. Ein Polymerharz gemäß Anspruch 10, worin der Poly(Hydroxyarylen) Ligand ist: