新型邻菲罗啉酰胺类配体的设计及其对放射性废液中锕系元素的提取研究

With the development of nuclear energy, large amounts of radioactive wastewater by nuclear fuel cycle release into environment and probably cause serious chemical and radioactive toxicity. Therefore, safe and effective treatment and disposal of radioactive wastewater is the critical science problem of the sustainable developmeng of nuclear energy. It is also the hot and difficult problem to be solved in the field of environment.The separation of actinides from nuclear waste is one of the key subjects. In order to inprove the separation efficiency, simplify the separation process, and reduce the secondary waste, it is very necessary to propose a solvent extraction process to separate actinides directly from the radioactive wastewater using single extractant. This project intends to design and synthesize effective phenanthroline amide extractants first with the help of quantum chemical calculations. Then, the interaction mechanism of actinides/lanthanides and phenanthroline amide ligands wil be studies by UV-Vis, FL, ESI-MS, NMR, and EXAFS. Additionally, the effect of experimental conditions (temperature, concentration, contact time, radiation, etc.) on the extraction behavior of actinides and lanthanides by phenanthroline amide ligands will also beinvestigated, which is expected to obtain the structure-property relationship between the chemical structure of the ligands and extraction ability of selectivity. This work is devoted to propose a conceptual grouped actinides separation process using a single phenanthroline amide extractant.

随着核能的快速发展，核燃料循环产生的大量放射性废液可能对环境造成严重危害。放射性废液的安全高效处置关系到核能可持续发展的关键科学问题，也是环境科学领域急待解决的热点和难点问题之一，其中锕系元素的有效分离又是核废液处理中的关键课题。为提高分离效率、简化分离流程和减少二次废物，非常有必要设计提出从放射性废液中组分离锕系元素的单一萃取剂。本项目拟以刚性邻菲罗啉为骨架，引入其他含氮或氧官能团，从分子水平模拟筛选萃取剂结构，实验设计合成高效邻菲罗啉酰胺萃取剂；采用UV-Vis、FL、ESI-MS、NMR和EXAFS等光谱学方法研究邻菲罗啉酰胺与镧锕阳离子的相互机理研究，结合理论模拟和真实废液中对锕系阳离子的萃取行为以及基本工艺参数对其萃取行为的影响规律，建立萃取剂结构与萃取性能/选择性之间的构效关系，最终提出采用单一萃取剂邻菲罗啉酰胺从放射性废液中直接组分离锕系元素的概念流程。

围绕乏燃料后处理中的关键科学问题-镧/锕萃取分离，理论结合实验针对邻菲罗啉酰胺类配体的设计及其合成开展了系统研究，并对萃取过程进行优化，提出适用于锕系组分离的可行性方案。经过四年的努力，达到了预期科研目标。首先，我们利用量子化学理论设计了具有潜在锕系组分离能力的配体-邻菲罗啉二酰胺配体（DAPhen），并系统研究了它们的合成，以及其对锕系阳离子的萃取机理。研究取代基团的改变对DAPhen配体萃取铀酰能力的影响。同时，基于DAPhen配体，我们还理论探讨不同桥连结构对配体镧/锕萃取选择性的影响。另外，基于邻菲罗啉骨架，我们通过设计不同的支链取代官能团，研究影响配体镧/锕选择性的本质，研究发现配体的萃取分离能力受配体的软硬度、腔的大小、质子化难易、分子内氢键等因素影响。最后，我们还探索了不同的预组织结构对萃取分离效率的影响，研究发现，当结构在一定程度上变得刚性时会提高镧/锕分离效率，然而当预组织增加到一定程度后，其镧/锕萃取分离能力反而降低。本项目的开展可为高效镧锕配体的实验设计和合成提供重要的理论依据，同时也为高放废液的安全处理提供科学依据。