超分子-均相液液萃取体系的建立及其从模拟高放废液中分离铯的性能研究

Effective partitioning and recovery for cesium from the highly active liquid waste (HLW) has always been one of the most challenging works. Conventional liquid liquid solvent extraction is a promising technology, while it has disadvantages of long equilibrium time and low effectivity. The key for this issue is the finite interface between one liquid and the other. In this project, the concept of the homogeneous liquid liquid solvent extraction is introduced to solve the problem in conventional liquid liquid solvent extraction by the infinite interface, leading shorter equilibrium time and higher extraction effect. According to theories and methods of structural chemistry, Calix[4]biscrowns are optimized by design and synthesis to obtain a better “size effect” and “π electronic effect”. The single factor experiment is used to screen phase-separation agents and to optimize phase-separation parameters. The batch experiment is adopted to investigate factors of homogeneous liquid liquid solvent extraction. Spectrum and energy spectrum are utilized to research the mechnism of cesium extraction. In this project, the object is to provide cesium separation from HLW by the homogeneous liquid liquid solvent with theory and technical support.

从高放废液（HLW）中分离发热元素铯是国际核科学与技术前沿领域尚未攻克的热点和难点科学问题之一。传统液液萃取法是一种较有前景的方法，然而该技术存在平衡时间长、萃取效率低等问题，困扰这一问题的的关键是液液接触面有限。本项目引入均相液液萃取理念，利用均相体系液液接触面几乎无限大的特性，缩短萃取平衡时间、提高萃取效率，解决传统液液萃取存在的关键问题。研究采用结构化学的理论与方法，设计合成优化的萃取剂Calix[4]biscrown，提高萃取剂对铯的“尺寸效应”与“π电子效应”；采用单因素实验法，筛选分相剂与优化分相条件；通过批示实验法，研究影响均相液液萃取的参数；通过波谱与能谱分析法研究均相液液萃取铯的微观机理。该研究为建立从模拟高放废液中分离铯的均相液液萃取技术提供科学依据。

高放废液的处理与处置是核燃料循环过程中最为关键的环节之一。放射性核素镅半衰期长，具有强放射性和高毒性，是影响高放废液处理处置的关键核素之一。有效分离镅是当前核燃料循环研究的一个热点和难点。离子液体具有较低的蒸气压、较强的溶解能力等优势，是一种有前景的环境友好型的绿色溶剂。铕具有类似于镅的氧化态、离子半径和配位化学性质，但不具有放射性毒性，可作为镅的非放射性替代物。本项目研究新型羧酸功能化离子液体均相萃取液相中铕的行为，具体内容如下：.（1）以叔胺为原料，通过N-烷基化、置换等反应，合成出了三种羧酸功能化离子液体，双三氟甲烷磺酰亚胺甜菜碱盐([Hbet][Tf2N])、双三氟甲烷磺酰亚胺二甲基乙胺乙内酯盐([DHbet][Tf2N])、双三氟甲烷磺酰亚胺三甲胺丙内酯盐([THbet][Tf2N])，其中2种尚未见报道。采用傅里叶变换红外（FT-IR）和核磁共振技术（NMR）等对其进行了指认和表征。.（2）采用静态实验法，分别以[Hbet][Tf2N]、[DHbet][Tf2N]、[THbet][Tf2N]为萃取剂，系统地考察了溶液pH、萃取接触时间、Eu3+初始浓度、温度、离子强度等因素对三种离子液体萃取Eu3+性能的影响，并计算出其热力学参数，另通过斜率法研究其萃取机理，计算得出萃合物结构并进行了多级逆流萃取实验。.均相萃取实验表明：[Hbet][Tf2N]、[DHbet][Tf2N]和[THbet][Tf2N]对Eu3+的最佳萃取pH分别为3、3、4，萃取平衡时间均为20 min。离子强度对萃取影响较小。萃取热力学函数表明萃取过程无法自发进行且吸热。均相萃取过程中上临界溶解温度（UCST）不尽相同，分别为333.15K、358.15、343.15K。通过斜率法研究表明萃取物结构均为2Eu(NO3)3·0.5IL。在多级逆流萃取中也表现出良好的效果，满足工业化处理要求。.综上所述：3种羧酸功能化离子液体均具有一定的分离镅的能力。本研究为分离高放废液中镅提供了新材料、新方法。