一种萃取分离三价镧系与三价锕系离子的方法技术

一种萃取分离三价锕系与三价镧系离子的方法，属于核燃料循环及废液处理技术领域。该方法使用二(2,4,4-三甲基戊基)二硫代次膦酸作为萃取剂，以长链烷烃作为稀释剂，利用弱酸缓冲体系有效地稳定萃取体系水相的pH值，萃取过程中无需对体系再进行pH调节，高选择性地将三价锕系元素从水相萃取分离出来，而绝大部分三价镧系元素留在水相中。本发明专利技术对三价镧系和三价锕系离子具有高效且稳定的萃取分离性能，在先进核燃料循环领域具有较好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及三价镧系与三价锕系离子萃取分离的方法，属于核燃料循环及废液处理

技术介绍
核燃料循环过程中会产生大量的放射性废物。目前，无论是发展核武器还是民用核能应用过程中都遗留下来了大量的高放废液，其处理处置问题已成为全世界关注的焦点。“分离-嬗变”法是一种处理高放废液的先进策略，即采用化学分离法从高放废液中把所占比例很小但毒性很大的锕系元素选择性地分离出来，通过加速器或反应堆将其转变为稳定或短寿命核素，而残余的废液变成非α废物，从而有效降低了高放废物的长期毒性，便于进一步进行处理和处置。三价锕系与三价镧系元素的有效分离是实现“分离-嬗变”先进核燃料循环的关键环节之一。然而，由于三价锕系与三价镧系元素的物理化学性质极为接近，其有效分离一直是分离领域的一大难题。在溶剂萃取分离法中，含S、N等软配体的萃取剂表现出对三价锕系和三价镧系元素良好的分离性能。1995年，商业试剂Cyanex 301被发现能够从常量镧系元素中有效分离三价锕系元素，随后又发现其纯化产品二(2,4,4-三甲基戊基)二硫代次膦酸(HC301)对示踪量和常量的镧系元素中的示踪量三价锕系元素都具有非常好的萃取分离效果，并提出了相应的分离工艺(Zhu Y.J.et al,Radiochim.Acta,1995,68(2):95-98)。需要指出的是，以HC301-煤油体系萃取分离三价镧系和三价锕系离子时，只有当水相的平衡pH值处于一个较窄的范围内(通常为3.5～4.5)，才能达到最佳的分离效果。pH过低，体系对三价锕系元素萃取能力太弱，影响镧系元素中锕系元素的去污；pH值过高，体系对三价镧系元素的萃取能力太强，影响锕系元素中镧系元素的去污，且体系易出现乳化现象。目前，调节该体系pH值的传统方法是将有机相中的萃取剂进行一定程度的皂化，再向两相混合后的萃取体系中加入少量强酸或强碱(一般为硝酸或氢氧化钠)进行反复调节，直至萃取平衡时水相pH值处于需要的范围内。然而，由于所要求pH值较高，当萃取过程中水相金属离子与有机相中萃取剂上的质子发生交换或受到其它因素干扰(萃取剂少量分解、空气二氧化碳溶解等)时，容易导致按照上述方法调节好的水相pH值发生明显改变并偏离理想范围，从而使得体系对三价镧系和三价锕系的萃取分离能力下降(Chen,J.et al,Atalante 2012 International Conference on Nuclear Chemistry forSustainable Fuel Cycles,C.Poinssot,Editor.2012.172-177)。同时，这种调节pH的传统方法还大大增加了萃取过程的复杂性，不利于连续化萃取操作。因此，为了维持HC301-煤油体系对三价镧系和三价锕系元素的高效萃取分离能力，减少对水相pH进行反复和额外的调节，保证萃取体系在设备上运行的稳定性，需要发展更为有效的稳定该体系水相pH值的手段，并最终建立一种更为实用的萃取分离三价镧系和三价锕系离子的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于二(2,4,4-三甲基戊基)二硫代次膦酸的萃取分离三价镧系和三价锕系离子的方法，通过筛选和引入适当的缓冲剂来稳定该体系水相pH值，在维持体系对三价镧系和三价锕系离子高效萃取分离性能的同时大大增强萃取体系运行的稳定性。本专利技术的技术方案是：一种萃取分离三价镧系与三价锕系离子的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：1)使用二(2,4,4-三甲基戊基)二硫代次膦酸作为萃取剂，使用长链烷烃类作为稀释剂；2)利用缓冲剂调节初始水相pH为3.5～4.5，将体积为Vorg的有机相与体积为Vaq的水相混合，两相分离后，水相中三价锕系离子被选择性地萃入有机相；有机相中萃取剂的浓度不低于3CM·Vaq/Vorg，其中CM为水相中锕系离子浓度。上述技术方案中，所述的缓冲剂为甲酸-甲酸铵或甲酸-甲酸钠，缓冲剂浓度为0.01～0.5mol/L。所采用的稀释剂为长链烷烃类有机化合物或长链烷烃的混合物。优选地，所述的长链烷烃类有机化合物的链长为C7-C12，长链烷烃的混合物为煤油。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：本专利技术的技术方案中，由于使用了缓冲剂对水相的pH值进行调节，萃取过程中不需要对有机相中的HC301进行皂化，不需要对水相pH进行反复、额外的调节，pH值可稳定在3.5～4.5范围内，且体系保持了对三价镧系和三价锕系离子的高效萃取分离性能，大大改进了二(2,4,4-三甲基戊基)二硫代次膦酸萃取分离三价镧系和三价锕系离子体系的稳定性，在先进燃料循环领域具有很好的应用前景。具体实施方式本专利技术所述方法中，使用二(2,4,4-三甲基戊基)二硫代次膦酸作为萃取剂，使用长链烷烃类作为稀释剂；稀释剂为长链烷烃类有机化合物(链长为C7～C12)或长链烷烃的混合物(煤油)，高选择性地萃取水相中的三价锕系元素，而三价镧系元素则不被萃取或萃取率极小。具体实施时，利用缓冲剂调节水相pH为3.5～4.5，将体积为Vorg的有机相与体积为Vaq的水相混合，有机相中萃取剂的浓度不低于3CM·Vaq/Vorg，其中CM为水相中锕系离子浓度，两相分离后，水相中三价锕系离子被萃入有机相，萃取率不低于80％，三价镧系离子基本不被萃取，萃取率一般不高于1％。实施过程中，锕系离子选择Am(III)为代表，镧系离子选择Eu(III)和Nd(III)为代表。本专利技术所述的长链烷烃的碳链为C7-C12，也包括两种或两种以上的长链烷烃的混合物以及煤油。本专利技术所述的锕系元素包括镅和锔，镧系元素包括镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱和镥。本专利技术所述的缓冲剂优选为甲酸-甲酸盐，其中甲酸盐包括但不限于甲酸铵、甲酸钠。缓冲剂总浓度为0.01到0.5mol/L之间。下面通过具体实施例对本专利技术的方法进行说明，但本专利技术并不局限于此。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。依据需要缓冲的pH范围，缓冲剂应为弱酸化合物。萃取体系对缓冲剂的要求主要包括：1)在pH值3.5～4.5范围内缓冲能力强；2)能保持体系对三价镧系和三价锕系离子的高效分离能力；3)较为廉价易得且适于放射性条件下使用。通过大量实验对不同缓冲剂进行了筛选，典型pH情况下(4.0)使用不同缓冲剂时体系对三价镧系和三价锕系离子萃取分离能力对比如表1。表1不同缓冲剂时萃取体系对三价镧锕离子的分离能力。有机相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种萃取分离三价镧系与三价锕系离子的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：1)使用二(2,4,4‑三甲基戊基)二硫代次膦酸作为萃取剂，使用长链烷烃类作为稀释剂；2)利用缓冲剂调节初始水相pH为3.5～4.5，将体积为Vorg的有机相与体积为Vaq的水相混合，两相分离后，水相中锕系离子被萃入有机相；有机相中萃取剂的浓度不低于3CM·Vaq/Vorg，其中CM为水相中锕系离子浓度。

【技术特征摘要】
1.一种萃取分离三价镧系与三价锕系离子的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
1)使用二(2,4,4-三甲基戊基)二硫代次膦酸作为萃取剂，使用长链烷烃类作为稀释剂；
2)利用缓冲剂调节初始水相pH为3.5～4.5，将体积为Vorg的有机相与体积为Vaq的水
相混合，两相分离后，水相中锕系离子被萃入有机相；有机相中萃取剂的浓度不低于
3CM·Vaq/Vorg，其中CM为水相中锕系离子浓度。
2.如权利要求1所述一种分...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐超，孙涛祥，陈靖，秦芝，
申请(专利权)人：清华大学，中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11