辐射技术制备硅基键合固载离子液体材料对锝的吸附分离及其构效研究

Technetium is one of the most important radionuclides in the long-term disposal of radioactive waste and environmental safety assessment. Therefore, it is essential to effectively separate technetium in spent fuel waste and environmental water. Ion exchange is one of the most effective methods for separation of technetium. However, the existing ion exchange resins suffer from poor radiation resistance of organic substrate and weak interaction between inorganic substrate and functional groups. Ionic liquids have excellent properties such as low volatility, radiation resistance and thermal stability, which can not only be used as an alternative to organic solvents for extraction and separation of radionuclides, but also efficiently extract rhenium and technetium by themselves via anion exchange. However, there are problems existed in the application, such as large consumption, high viscosity and difficulty in separation and recovery of ionic liquids. Silica-based material bonded with ionic liquid is expected to overcome the above shortcomings and retain both the advantages, thus can better achieve the separation of technetium. This study aims to use radiation technology to covalent bond ionic liquid onto the silanized porous silica-based material to prepare a novel adsorbent material with high adsorption selectivity, acid resistance, heat resistance and radiation resistance. The adsorption and separation behaviors toward technetium and simulation element rhenium under different systems will be systematically studied. The relationship between the ionic liquid structure and the adsorption performance will be discussed. The adsorption mechanism will be clarified and the molecular structure of the adsorbent will be optimized. This study is expected to provide an important scientific basis for the development of efficient separation technology towards technetium.

锝是放射性废物长期处置及环境安全评估中的最重要核素之一，需要在乏燃料废液，环境水相中进行有效分离。离子交换法是锝分离的最有效方法之一，然而现有离子交换树脂中存在有机基材耐辐照性差，无机基材与功能基团结合不紧密等缺陷。离子液体具有低挥发性，耐辐射和热稳定性等优异特性，可替代有机溶剂应用于萃取分离放射性核素，其本身也可以通过阴离子交换机理对铼和锝进行高效萃取。但是应用中存在用量大，黏度高，分离回收困难等问题。硅基材料键合固载离子液体有望克服上述缺点，并兼具二者优势，更好地实现锝的分离。本项目拟采用辐射技术以化学键合方式将离子液体负载到烷基化多孔硅基材料上，制备出具有吸附选择性高，耐酸，热和辐照的新型吸附材料；系统研究不同体系下锝及其模拟元素铼的吸附分离行为，探讨离子液体结构与吸附性能间的构效关系，阐明吸附机理并优化吸附材料分子结构。本项目的完成将为高效分离锝技术的发展提供重要的科学依据。

锝-99（99Tc）具有半衰期长、裂变产率高和环境迁移率高等特点，是放射性废物处置中最重要的核素之一。99Tc主要以99TcO4-形式存在，由于锝具有放射性，研究者通常使用与其性质相似的稀散元素铼（ReO4-）进行模拟研究。研究从溶液中分离ReO4-对锝/铼的回收和环境保护具有重要意义。离子交换法是锝分离的最有效方法之一，然而现有离子交换树脂中存在有机基材耐辐照性差，无机基材与功能基团结合不紧密等缺陷。离子液体具有低挥发性，耐辐射和热稳定性等优异特性，可替代有机溶剂应用于萃取分离放射性核素，其本身也可以通过阴离子交换机理对铼和锝进行高效萃取。但是应用中存在用量大，黏度高，分离回收困难等问题。硅基材料键合固载离子液体有望克服上述缺点，并兼具二者优势，更好地实现锝的分离。.为了实现铼、锝的高效分离, 本项目围绕新型离子液体固载吸附材料开展设计合成，采用辐射技术以化学键合方式将所选定阴阳离子结构的咪唑类离子液体紧密固载到多孔硅基材料上，成功制备出一系列吸附性能优异且耐辐照性能好的新型吸附材料；对其吸附ReO4-的性能与结构之间的构效关系进行系统研究，分析了吸附机理并评估了其应用前景。在对所要固载的离子液体阴阳离子结构和基材结构、尺寸进行设计筛选的前提下，利用电离辐射技术，可以制备出对Re(Ⅶ)具有更好的选择性（在模拟放射性废液中选择性吸附Re，对共存阳离子几乎不吸附），较好的吸附容量（Max290mg/g)，更快地吸附速度(最快1min)的吸附材料。提高辐射剂量，单体浓度，烷基化程度，都可以有效提高功离子液体的导入率。不同咪唑侧链长度的吸附材料对Re(VII)、Tc(VII)吸附量和吸附速度没有明显差异，但是对吸附材料在强酸和大量阴离子共存条件下的选择性有重要作用。相对于大多数商业树脂，离子液体固载硅基材料在耐辐照性方面具有重要优势，可以在高酸高放环境中的使用，即使在800 kGy时。其吸附容量基本保持不变。由于可以在吸附柱中填充，具有很好的实际应用前景，有望在核燃料和核废液实际处理工艺中使用。