一种基于羧基功能离子液的铀酰离子分离方法与流程

本发明属于uo2²⁺的分离与富集技术领域，具体涉及一种基于羧基功能离子液的铀酰离子分离方法。

背景技术：

核能具有不排放污染物到大气中、不产生温室气体等优点，被认为是一种清洁低碳的能源。先进核燃料循环是核能可持续发展的必经之路，而乏燃料的后处理是先进核燃料循环中的关键环节。铀是核能利用中最主要的核燃料，其在核燃料循环后处理中的回收利用对于核能的可持续发展意义重大。核能可持续发展必须解决两大主要问题：铀资源利用的最优化和核废物的最少化。目前，已实际应用的purex后处理流程是以30％的磷酸三丁酯(tbp)作萃取剂、以煤油为稀释剂，同时回收铀和钚。实际上，传统uo2²⁺分离方法中，稀释剂存在着易挥发、极易燃烧、辐射稳定性差、裂片元素在体系中的临界浓度低等问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于羧基功能离子液的铀酰离子分离方法。本发明将具有较高耐酸性的含磷类萃取剂与稳定性优异的羧基功能离子液体结合起来，发展快速分离富集水溶液中uo2²⁺的方法，可用于乏燃料后处理中uo2²⁺的分离与富集流程，同时可用于uo2²⁺的工业分离与富集，对铀的充分回收与利用具有重要意义。

本发明具体采用如下技术方案：

一种基于羧基功能离子液的铀酰离子分离方法，其特征在于，该方法具体包括下述步骤：

a)萃取体系配置：根据分离体系的需求，称取适量的含磷类萃取剂，使用羧基功能离子液体溶解后，配置成指定浓度的含磷类萃取剂的羧基功能离子液体溶液，即为所需萃取体系；

b)萃取分离流程：将浓度为c0的uo2²⁺水溶液和含磷类萃取剂的羧基功能离子液体溶液按照一定的相比加入到萃取装置中，将萃取装置置于恒温振荡装置中，根据需求开展不同条件下的萃取分离实验；

c)溶液中uo2²⁺浓度分析：取适量萃取分离前后的水相溶液进行稀释，将稀释后的溶液进行icp-oes分析，获得萃取分离后水相溶液中的uo2²⁺浓度c1；

d)分离效率的计算：利用公式e＝(c0-c1)/c0x100％计算所述萃取体系关于uo2²⁺的萃取效率。

进一步，步骤a)中，所述含磷类萃取剂可选自下述材料中的任意一种：正辛基苯基一n，n′一二异丁基胺甲酰甲基氧化膦(cmpo)、1，8-双二苯膦酰基-2，7-辛二酮(dppodo)、二(2，4，4-三甲基戊基)次膦酸(cyanex272)、磷酸三丁酯(tbp)等。

进一步，步骤a)中，所述羧基功能离子液体可选自下述材料中的任意一种：1-羧甲基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([hoocmim][ntf2])、1-羧乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐等、1-羧丙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-羧甲基-3-乙基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐等、1-羧甲基-3-丙基基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐等、1-羧甲基-3-丁基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐等、1-羧甲基-3-戊基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐等。

进一步，步骤a)中，所述萃取体系中含磷类萃取剂的浓度为1mm至1000mm。

进一步，步骤a)中，所述萃取装置的外形可为下述中的任意一种或多种组合：管状、球状、椭球状、圆锥状、立方体、正方体、规则多面体、不规则多面体等。

进一步，步骤a)中，所述萃取装置的材质可选自下述中的任意一种：不锈钢全金属、塑料或橡胶、石英、高硼硅、陶瓷等材质。

进一步，步骤b)中，水溶液中uo2²⁺的浓度为0.5mm至1000mm；

进一步，步骤b)中，萃取环境温度为15℃至100℃；

进一步，步骤b)中，萃取环境中气氛可选自下述气氛中的任意一种或多种混合气氛：空气、氩气、氦气、氖气、氮气、氧气、二氧化碳等。

与现有萃取分离体系相比，本发明具有以下优点：

1)本发明中基于羧基功能离子液的uo2²⁺分离方法实现了快速分离富集较高浓度uo2²⁺，在萃取低浓度uo2²⁺时，与传统萃取的方法相比，该体系在30℃时的萃取平衡时间仅需5min，在80℃以上时仅需1min即可达到萃取平衡，大大缩减了萃取分离的平衡时间。可实现较高浓度uo2²⁺的分离与富集，对较高浓度uo2²⁺溶液的萃取效率高。

2)本发明中含磷类萃取剂的羧基功能离子液体能一步实现uo2²⁺的分离与富集，即通过该体系萃取分离uo2²⁺后，有效减少放射性废物的体积，优化了uo2²⁺的分离富集过程。

3)本发明中基于羧基功能离子液的uo2²⁺分离方法，提供一种低蒸气压、低可燃性、辐射稳定性高、裂片元素临界浓度高的萃取分离富集uo2²⁺的方法，具有流程简单、操作便捷高效等优点。

本发明所提供的基于羧基功能离子液的uo2²⁺分离方法，通过含磷类萃取剂的羧基功能离子液体，可快速实现较高浓度uo2²⁺的萃取分离。本发明可用于uo2²⁺的工业萃取分离，同时可用于乏燃料后处理中uo2²⁺的分离流程。通过配置适当浓度的含磷类萃取剂的羧基功能离子液体溶液，将溶液用于分离富集水溶液中的uo2²⁺。

由于离子液体由于阴阳离子之间存在较强的相互作用，与传统易挥发、易燃的传统有机溶剂相比，离子液体具有优异的独特性能，如低蒸气压、低可燃性、辐射稳定性高、裂片元素临界浓度高等特点，这正好弥补了传统有机溶剂的不足，本发明采用离子液体和传统萃取剂结合后表现出优于传统有机溶剂萃取体系的萃取性能，可提高萃取体系分离效率，在放射性核素分离领域展现出了广阔的应用前景，有望取代传统有机溶剂在乏燃料后处理中的应用。本发明将具有较高耐酸性的含磷类萃取剂与稳定性优异的羧基功能离子液体结合起来，通过室温的萃取条件，可快速将水溶液中uo2²⁺分离。本发明可用于uo2²⁺的工业萃取分离，同时可用于乏燃料后处理中uo2²⁺的分离流程，是一种快速、便捷、高效分离uo2²⁺的方法，对铀的充分回收与利用具有重要意义。

附图说明

图1为cmpo/[hoocmim][ntf2]快速分离富集较高浓度uo2²⁺的流程图。

图2为实施例1中cmpo/[hoocmim][ntf2]萃取体系萃取动力学的评估。

图3为实施例2中cmpo/[hoocmim][ntf2]体系萃取能力的评估。

图4为实施例4中不同萃取体系萃取能力的评估。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此。

下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1、cmpo/[hoocmim][ntf2]体系萃取动力学的评估

a)萃取体系配置：根据分离体系的需求，称取适量的cmpo，使用羧基功能离子液体溶解后，配置成20mm的cmpo/[hoocmim][ntf2]溶液；

b)萃取分离流程：移取七份0.4ml的cmpo/[hoocmim][ntf2]溶液分别置于七个萃取装置中，依次加入0.4ml的浓度为2mm(c0)的uo2²⁺水溶液。随后将萃取装置置于恒温振荡器中，在30℃条件下分别振荡萃取1min、5min、15min、30min、60min、120min、240min；

c)溶液中uo2²⁺浓度分析：分别取出不同振荡萃取时间下的溶液进行稀释，将稀释后的溶液进行icp-oes分析，获得上述不同振荡萃取时间下的萃取分离后水溶液中的uo2²⁺浓度(c1)；

d)分离效率的计算：利用公式e＝(c0-c1)/c0x100％计算萃取体系的萃取效率；

萃取时间为1min、5min、15min、30min、60min、120、240min时，cmpo/[hoocmim][ntf2]萃取体系的萃取效率分别为57.57％、99.78％、99.96％、99.989％、99.98％、99.993％、99.997％。

实施例2、20mmcmpo/[hoocmim][ntf2]体系萃取能力的评估

a)萃取体系配置：根据分离体系的需求，称取适量的cmpo，使用羧基功能离子液体溶解后，配置成20mm的cmpo/[hoocmim][ntf2]溶液；

b)萃取分离流程：分别移取五份0.4ml的mpo/[hoocmim][ntf2]溶液分别置于五个萃取装置中，分别依次对应加入0.4ml的浓度分别为2mm、5mm、10mm、30mm、50mm的uo2²⁺水溶液。随后将萃取装置置于恒温振荡器中，在30℃条件下分别振荡萃取240min；

c)溶液中uo2²⁺浓度分析：分别取出不同萃取装置中的溶液进行稀释，将稀释后的溶液进行icp-oes分析，获得不同萃取装置内萃取分离后水溶液中的uo2²⁺浓度；

d)分离效率的计算：通过测量萃取分离前后水溶液中的uo2²⁺浓度，利用公式e＝(c0-c1)/c0x100％计算萃取体系的萃取效率，其中c0为萃取分离前水溶液中的uo2²⁺浓度，c1为萃取分离后水溶液中的uo2²⁺浓度；

萃取时间为240min时，本实施例不同萃取装置内20mmcmpo/[hoocmim][ntf2]萃取体系分别对2mm、5mm、10mm、30mm、50mm的uo2²⁺水溶液的萃取效率分别为99.997％、99.975％、94.15％、76.45％、66.88％。

实施例3、50mmcmpo/[hoocmim][ntf2]体系萃取能力的评估

与实施例2的方法一致，将步骤a)中cmpo浓度由20mm调整为50mm，其他条件不变，可获得50mmcmpo/[hoocmim][ntf2]体系的萃取能力。萃取时间为240min时，50mmcmpo/[hoocmim][ntf2]萃取体系分别对2mm、5mm、10mm、30mm、50mm的uo2²⁺水溶液的萃取效率分别为99.87％、99.995％、100.00％、89.78％、79.31％。

实施例4、100mmcmpo/[hoocmim][ntf2]体系萃取能力的评估

与实施例2的方法一致，将步骤a)中cmpo浓度由20mm调整为100mm，其他条件不变，可获得100mmcmpo/[hoocmim][ntf2]体系的萃取能力。萃取时间为240min时，100mmcmpo/[hoocmim][ntf2]萃取体系分别对2mm、5mm、10mm、30mm、50mm的uo2²⁺水溶液的萃取效率分别为99.91％、99.98％、99.97％、99.94％、91.00％。

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