微流控芯片中铀萃取机制和动力学研究

The disposal of radiowaste was a serious issue throughout the world. The separation and recycling of the radiowaste was an effective method to abate this problem, and the solvent extraction was the most common technique of separation. However, the component of radiowaste was complex and it's hardly to ascertain the extraction mechanism exactly. The microchips has great advantages in the research of transmission and kinetics, for its precise reaction-controlling and few solvent-consuming. The program was designed to investigate the mechanism of uranium extraction and kinetics based on the microfluid technique. The particular content consist of: the design of the microchannels and the simulation of the flow field of the multiply phase in the microchannels; the analysis of the optimal parameters of the extraction system in theory; the research of the efficiency uranium extraction under different solution parameter and experiment condition; the discussion of the mechanism and kinetics of uranium extraction in microchips. The intention of this program was to explain the transmission mechanism and kinetics between uranium and coexist elements in the extraction. The study was used to enhance the separation effiency of uranium and other elements effectively, and it was probably applied to the disposal of the radiowaste in the future.

放射性废物处理是世界各国面临的难题，对放射性废物的分离纯化和回收利用是缓解该问题的有效途径，溶剂萃取是最常用的一种分离方法。然而，放射性废物的成分复杂，准确地萃取机制仍存在争议。微流控芯片具有反应控制精确和溶剂消耗少的特点，在传质和动力学行为研究方面具有天然的优势。本项目拟以微流控技术为基础，研究铀在微流控芯片中的萃取机理及动力学行为。具体内容包括：微米级的复杂微通道的设计和多相流场的模拟仿真；理论分析和计算最优化的微流控芯片结构参数和萃取工作条件；研究不同的溶液参数和工作条件下对铀萃取反萃的效率的影响；分析微流控芯片中铀的萃取机制和动力学行为。本项目旨在揭示铀和共存元素在萃取和反萃中的传质机理和动力学行为，为有效地提高铀和其他元素的分离纯化效率奠定基础，并且可以应用到放射性废物的处理处置当中去。

放射性废物处理处置是世界各国面临的难题，对铀等等放射性核素的分离纯化和分析检测是缓解这一问题的有效途径。首先，在铀的萃取分离方面，本项目以硝酸铀酰-TBP/氢化煤油为研究体系，通过有限元方法模拟了铀酰离子在微芯片通道中的扩散规律，分析了通道宽度、通道长度和通道流速对铀酰离子萃取效率的影响，为铀萃取微流控芯片的设计提供了理论基础。本项目分析了两相比、NO3-浓度、多级萃取等对铀酰离子萃取效率的影响。调节有机相和水相的体积比高于0.8时，萃取效率可达94%以上。另外，加入硝酸根离子浓度也可以明显提高铀酰离子的萃取效率，三次萃取以后总的萃取效率可提高到99.95%。其次，在铀的分析检测方面，本项目发展了一种基于热电离质谱的灯丝渗碳技术，利用具备二维纳米结构的氧化石墨烯胶体作为热电离质谱的电离增强剂，不仅使铀样品的电离温度由1700℃降低至1400℃，而且将铀的电离效率提升至0.2%，远高于传统方法的0.02%，且重现性好，对于pg量级的铀样品的测量精密度达到1%。通过SEM-EDX、ToF-SIMS等方法研究了灯丝渗碳技术电离增强的机理，发现铼灯丝表面生成了Re-C和U-C化合物，两者对铀的电离具有协同促进效应。本项目还提出了一种基于金纳米颗粒修饰电极的高灵敏度电化学检测方法。铀酰离子在工作电极表面还原富集，然后被金纳米粒子催化氧化得出溶出电流信号。在富集电位-0.35V、富集时间400s和PH值1.6最优条件下铀酰离子的电流信号最强。铀酰离子浓度2.4μg/L-48μg/L范围内，灵敏度为0.025μA/(μg/L)，浓度48μg/L-480μg/L范围内，灵敏度为 0.012μA/(μg/L)，AuNPs修饰电极的溶出伏安法对铀酰离子具有较好的选择性和稳定性，检测限为0.3μg/L。