疏水型硝酸盐离子液体的分子设计及其在乏燃料后处理中的应用

The development of a new high-selective extraction system is of great significance to the innovative development of new concept and process of spent nuclear fuel reprocessing. The extraction system based on ionic liquid used in reprocessing can lead the loss of ionic liquid, which is a basic scientific problem. This project will be designed at molecular level to obtain nitrate ionic liquids with hydrophobic characteristics. They will be used as multifunctional and integrated spent fuel extraction system. The compositions of the structure will be determined. The physical and chemical properties of hydrophobic nitrate ionic liquids including thermal properties, rheological properties, surface/interfacial properties, polarity and coordination ability will be characterized. The effect of their structure to selective extraction capacity of the actinides, including cation structure, ligands, and hydrophobic groups, will be studied. According to structure, energy level, thermodynamic and kinetic data obtained from the theoretical calculation, coordination chemistry and separation mechanism of extraction of the actinides in ionic liquid will be revealed. The structure-extraction performance relationship of hydrophobic nitrate ionic liquid will be obtained on the electronic level or atomic/molecular level. Under the guidance of structure- performance relationship, to meet the different needs of reprocessing, we will extend the derivative structures through structural adjustment and performance tuning. This work will provide a scientific basis for the development of new spent fuel reprocessing.

新型高选择性萃取体系的研发对创新性地发展新的乏燃料后处理理念和流程具有重要意义。针对基于离子液体的萃取体系用于乏燃料后处理过程中离子液体流失的基础科学问题，本项目拟在分子水平上进行结构设计，以获得具有疏水特性的硝酸盐离子液体，将其作为多功能一体化的乏燃料萃取体系。完成其结构组成分析；以热性质、流变性、表/界面性质、极性、配位能力等物理化学性质表征为手段，深入研究其结构组成及对锕系元素的选择性萃取能力，主要考察阳离子结构、配位基团、疏水基团等结构因素对其萃取性能的影响。结合理论计算获得的结构、能级、热力学和动力学等数据，揭示锕系元素在离子液体中的配位化学及分离萃取机理，实现在电子层次或原子/分子水平上构建疏水型硝酸盐离子液体的结构与萃取性能之间的结构-效能关系。以结构-效能关系为指导，以满足不同后处理需求为目标，通过结构调变和性能调变扩展其衍生结构，为新的乏燃料后处理流程的发展提供基础。

本项目针对基于离子液体的萃取体系用于乏燃料后处理过程中离子液体流失的基础科学问题，创新性地提出利用同离子效应，突破硝酸盐体系亲水的惯性思维，通过结构设计获得具有疏水性的硝酸盐离子液体，开展硝酸溶液中多种放射性元素的萃取研究。先后制备了多种基于硝酸阴离子结构的不同类型的具有疏水能力、配位能力的离子液体，完成了其各种结构表征，研究了它们在热、pH、超声等不同条件刺激下的相响应行为，考察了刺激响应疏水硝酸盐离子液体在水溶液中的可逆相变能力，将其用于高酸度硝酸溶液条件下的萃取体系，成功筛选出分别针对铀、钍、锆有高选择捕获能力的离子液体，所获得的萃取体系具有良好的循环能力。通过性质实验，结合理论计算，揭示了离子液体的结构与其萃取性能的内在关联，解释了疏水硝酸盐离子液体与锕系元素的配位化学及分离萃取机理。在目标离子液体设计过程中分别引入疏水基团、配位基团、复合材料等获得了多种新型功能化离子液体材料，可以作为参照体系研究放射性元素萃取选择性的构效关系；这些新型功能化离子液体材料作为环境保护吸附/萃取/检测材料方面也表现出优秀的性能，可用于选择性捕获和识别铀、碘、铯。疏水硝酸盐离子液体作为新颖的材料，超出了常规的离子液体液-液萃取的操作方法，结合液液萃取及固相吸附的优点，实现高酸度硝酸溶液条件下对特定放射性元素的选择性分离。这种新策略为放射化学中富集/去除分离金属离子提供了一种新方法，有很大的应用潜力用于替代Purex流程中的挥发性有机溶剂体系，对能源和环境化学中金属的回收利用具有重要意义。