铀、钍的离子液体萃取及其萃合物结构的同步辐射研究

铀和钍是未来先进核能体系中的两种重要元素，其净化分离对于核环境安全及核能的可持续发展意义重大。离子液体作为"新一代绿色溶剂"在铀和钍的萃取分离方面具有广阔的应用前景，而离子液体萃取体系的高效率和高选择性是其应用的关键。本项目拟以核燃料循环中铀和钍的选择性分离为目标，通过理论计算并结合实验研究，设计构建高效率高选择性的铀、钍离子液体萃取体系；考察离子液体结构和种类，萃取剂结构，干扰离子及硝酸等对萃取的影响；同时利用同步辐射技术并结合其它先进的检测表征手段，深入了解铀、钍萃合物在离子液体中的微观结构，研究金属与配体，配体与离子液体及金属与离子液体之间的微观作用机制，分析其中的萃取机理。在此基础上提出基于离子液体萃取体系的铀、钍分离的概念流程，为离子液体在乏燃料后处理中的实际应用提供科学依据，同时为设计更高效率，更高选择性的离子液体萃取体系提供指导。

铀和钍是未来先进核能体系中的两种重要元素，其分离净化对未来核能发展意义重大。离子液体作为“新一代绿色溶剂”在铀和钍的萃取分离方面具有广阔的应用前景，而离子液体萃取体系的相关机理研究及新的高效、高选择性萃取体系的开发是其实际应用前的研究重点。本项目以核燃料循环中铀和钍的高效分离为目标，开展了铀、钍的离子液体萃取及其相关机理研究。项目首先采用相对论量子化学计算方法系统研究了目前已广泛应用的酰胺甲基磷类萃取剂（CMPOs）和双三嗪联吡啶类镧锕分离配体（BTBPs）对U(VI)(锕系模型元素)和Eu(III)(镧系模型元素)的萃取行为，从分子水平上探索其萃取机理。在此基础上并结合文献调研，成功筛选出了三种对铀、钍结合能力强且萃取效率高的萃取剂，分别是N,N’-二乙基- N,N’-二对甲苯基吡啶二酰胺（EtpTDPA）、三辛基氧膦（TOPO）及8-羟基喹啉（HOX）。通过对比不同离子液体的物理化学性质并考察所筛选萃取剂在不同离子液体中溶解行为，构建了相应的离子液体萃取体系。系统研究了所构建离子液体萃取体系对U(VI)、Th(IV)的萃取行为；考察了溶液酸度、相比、接触时间、金属离子浓度及离子强度等对萃取的影响。依托北京同步辐射装置并结合其它先进谱学手段，解析了相应的萃合物物种，分析了相应的萃取机理。此外，在研究过程中发现了一些新现象，如在研究EtpTDPA/[C4mim][PF6]体系对Th(IV)的萃取行为时在离子液体相与水相的两相界面处出现具有纳米结构的含钍界面污物；在研究EtpTDPA/[C4mim][NTf2]体系对U(VI)的萃取行为时发现U(VI)在被EtpTDPA/ [C4mim][NTf2]体系萃取后与萃取剂及[NTf2]-发生相互作用，从离子液体相中析出等。对这些新现象进行了系统研究，并最终分析了相应的机理，为离子液体萃取体系的设计构建及实际应用提供了有益指导。总之，本课题执行了既定计划，取得了良好的预期效果，完成了预期考核目标。同时，对新现象的深入研究增加了课题的新颖性和创新性。