一種從水相中萃取分離鈾酰離子的方法

專利名稱：一種從水相中萃取分離鈾酰離子的方法
技術領域：
本發明涉及核燃料循環領域，具體涉及一種從水相中萃取分離鈾酰離子的方法。
背景技術：
鈾是目前核能利用中的一種最主要的核燃料，其開采、提取、分離對于核能的 可持續發展意義重大。當前，溶劑萃取是核燃料循環過程中分離提純鈾的一種不可 或缺的手段。目前已開發出了各種針對鈾的液-液萃取流程，如Purex流程等。不 過，這些液-液萃取流程都會使用到例如煤油等具有一定揮發性的有機溶劑，同時 單次萃取效率也不是很高，通常需要進行多級萃取。鈾酰離子是鈾在水溶液中存在 的一種主要化學形態，以離子液體代替有毒、易燃、易揮發的有機溶劑用于鈾酰離 子的萃取分離，不但可能得到較高的萃取分離效率，而且對環境危害小。
離子液體是一類完全由陰陽離子組成且在室溫或相近溫度下呈液態的有機化 合物。與其它溶劑相比，離子液體具有很多特點，如無毒、無顯著蒸氣壓、對環境 友好、無可燃性、熔點低且液態區間寬、熱穩定性好、可溶解多種有機物及無機物 等，因此被譽為"綠色溶劑"。以離子液體作為溶劑用于鈾酰離子的萃取分離已有 一些報道，例如，Visser等(VisserA.E., et al, J Solid State Chem, 2003, 171,109.)用 1_丁基_3-甲基咪唑六氟磷酸鹽(C4mimPF6)作溶劑，以辛基苯基-N,N-二異丁基胺 甲酰基甲基氧膦(CMPO)和磷酸三丁酯作萃取劑從酸性溶液中萃取Ai^+， Th4+， U0 +等離子，在相同條件下，其分配比要比使用正十二烷為溶劑時高。Dietz等對 磷酸三丁酯在離子液體中萃取鈾酰離子的機理進行了研究(Dietz M丄.，et al, Talanta, 2008,75,598.)。褚泰偉等(褚泰偉等，核化學與放射化學，2007, 29, 146.)研究了 磷酸三丁酯在一系列離子液體中對鈾酰離子的萃取行為及反萃方法。
總體上，目前應用離子液體體系萃取分離鈾酰離子的報道不多，且在所報道的 研究中，體系對鈾酰離子的萃取率都不是很高，特別是使用傳統萃取劑磷酸三丁酯 時，往往需要維持溶液的高酸度才能對鈾酰離子具有一定的萃取作用。

發明內容
本發明的目的是提供一種從水相中萃取分離鈾酰離子的方法。本發明所提供的從水相中萃取分離鈾酰離子的方法，是以疏水性離子液體為稀
釋劑，以辛基苯基-N，N-二異丁基胺甲酰基甲基氧膦(CMPO)為萃取劑，從含鈾酰 離子的水溶液中萃取得到鈾酰離子。
其中，所述疏水性離子液體是由一種陽離子和一種陰離子構成的離子化合物； 其中，所述陽離子選自CrC8烷基取代的甲基咪唑陽離子中的任意一種，所述陰離 子選自雙三氟甲烷磺酰亞胺離子。
所述疏水性離子液體具體可選自下述至少一種C2mimNTf2、 C4mimNTf2、 C6mimNTf2、 C8mimNTf2。
采用本發明方法萃取鈾酰離子時，通常CMPO與疏水性離子液體的配比在 0-0.2mol: 1L (不包括0mol: 1L)的范圍內，即可實現對多數含鈾酰離子水相中 1)022+的萃取；綜合萃取效率和經濟因素，通過試驗發現，CMPO與疏水性離子液 體的優選配比為0.03-0.1mol: 1L。
本發明中，含鈾酰離子的水溶液中鈾酰離子可為任意濃度， 一般情況下，被萃 水相中鈾酰離子的濃度為0-0.02 mol/L;當水相中鈾酰離子的濃度較高時，可相應 提高CMPO的濃度來實現對鈾酰離子的高效萃取。且該含鈾酰離子的水溶液中除含 鈾酰離子外，還可包含其它各種離子或化合物，如不同濃度的鈉、鉀等干擾離子以 及硝酸等。
本發明中，離子液體萃取相與被萃水相的比例無特別限制，兩者的體積比可為 任意比例。萃取溫度可為任意溫度，對萃取時間、萃取工藝及設備也均無特別限制。
本發明提供了一種從水相中萃取分離鈾酰離子的方法。該方法以CMPO和1-垸基-3-甲基咪唑雙三氟甲垸磺酰亞胺(CnmimNTf2類)離子液體組合，得到了對鈾 酰離子具有高效萃取性能的萃取體系。利用該萃取體系可以從各種不同條件的含鈾 酰離子的水相中高效萃取鈾酰離子，中性或接近中性條件下，通過一次萃取鈾酰離 子的分配比最高可達103以上。本發明中使用離子液體作為稀釋劑，大大提高了體 系對鈾酰離子的萃取能力。由于不使用揮發性溶劑，體系也更為綠色環保。該萃取 體系對水相酸度的適應范圍廣，從中性條件到3M HN03均可顯著萃取鈾酰離子。 該方法在核燃料循環領域具有較好的應用前景。


圖1為實施例1中C2mimNTf2對含鈾酰離子的水溶液中鈾酰離子的萃取率與 CMPO濃度的關系示意圖。圖2為實施例2中CMPO分別在C2mimNTf2、 C4mimNTf2、 C6mimNTf2離子液
體中對含鈾酰離子的水溶液中鈾酰離子的萃取率與水相中硝酸濃度的關系示意圖。
具體實施例方式
下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；所述試劑和材料， 如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。
下面結合附圖，通過以下實施例進一步說明本發明，但不以任何方式限制本發 明的范圍。
實施例l、從中性含鈾酰離子的水相中萃取11022+
進行鈾酰離子萃取實驗時，取0.5 ml含有一定量CMPO (購自美國STREM公 司，商品號15-3500)的離子液體和l.Oml含有一定量鈾酰離子和其它離子或化合 物的水相，充分混合，然后振蕩30min，離心分相后取上層水相分析鈾酰離子的濃 度(偶氮胂III法)，有機相鈾酰離子濃度以差減法求得，由此求得萃取率￡或分配 比"。
以含不同濃度CMPO的C2mimNTf2對含鈾酰離子([U022+] = 0.01 mol/L)的水 溶液中鈾酰離子進行萃取，結果見表l。
表1
CMPO濃 度(mol/L)0扁0.0050扁0.010,0130.0160.020.0250.030.04
￡/%9.926.339.548.261.672.287.496.999,8>99.9
Aj0,220.711.311.863.215.2013.863.41043>2000
以表1中鈾酰離子萃取率(E/%)與CMPO濃度作圖，結果見圖1。
由圖1可知，在中性條件下，隨著C2mimNTf2中CMPO濃度不斷增加，體系 對鈾酰離子的萃取率不斷提高。當CMPO濃度達到0.03 mol/L時，對0.01 mol/L鈾 酰離子的萃取率即可超過99%，同時鈾酰離子的萃取分配比高達103以上。
實施例2、從酸性含鈾酰離子的水相中萃取11022+
本實施例中所采用的含鈾酰離子的水相為酸性，不含其它干擾離子。
采用含CMPO濃度為0.020 mol/L的CnmimNTf2離子液體對不同酸濃度水相中
鈾酰離子([U022+] = 0.005 mol/L，硝酸濃度為0-3 mol/L)進行萃取，萃取率均基
本大于70%。結果見表2。表2
HN03濃度
(mol/L)00.10.51,01.52.0
五/%87.484.680.882.285.088.8
C2mimNTf2
6.945,494.214.625.677.93
靡79.080,080.582.383.986.7
C4mimNTf2
3.76楊4.134.655.226.52
￡/%69.769.972.273.976.9訓
C6mimNTf2
Aj2.302.332.602.833.324.22
以表2中鈾酰離子萃取率(E/%)與水相中硝酸濃度作圖，結果見圖2。
由圖2可知，含0.02 mol/L CMPO的不同離子液體萃取0.005 mol/L鈾酰離子 時，萃取率隨水相中硝酸濃度的變化而變化。具體來說，對于C4mimNTf2、C6mimNTf2 體系，增加水相硝酸濃度，整體上使鈾酰離子的萃取率增加。對于C2mimNTf2體系， 隨著硝酸濃度的增加，C2mimNTf2體系對鈾酰離子的萃取率有所下降，并在硝酸濃 度為0.5 mol/L時達到最小值，當硝酸濃度繼續增加時，體系對鈾酰離子的萃取率 又開始逐步上升。總體而言，CMPO/CnmimNTf2離子液體體系可以在一個較大的酸 度范圍內對鈾酰離子進行萃取。
含有0.1 mol/L CMPO的C2mimNTf2可以從含有0-2 mol/L硝酸的水相中將0.01 mol/L鈾酰離子定量萃取。萃取平衡后，采用偶氮胂III法檢測不到水相中鈾酰離子 的存在。
實施例3、從含鈾酰離子和鈉、鉀等干擾離子的水相中萃取11022+ 以0.02 mol/L CMPO/C4mimNTf2萃取0.005 mol/L 11022+體系為例，當水相中含 0.05 mol/L ~ 0.5 mol/L的無機鹽NaN03或KN03時，體系對0.005 mol/L鈾酰離子 的萃取率在72 - 76%之間(具體見表3)，略小于無機鹽不存在時體系對鈾酰離子 的萃取率(79%)，說明NaN03或KN03對體系萃取鈾酰離子影響很小。鹽濃度(mol/L)
0
0.05
0.2
0.5
NaNO;
KNCh
五(％)
Aj 五(％)
Aj
79.0 3.76
74.5 5.84 75.7 6,25
74,6 5.87 72.4 5.25
72.5 5.27 73.1 5.4權利要求
1、一種從水相中萃取分離鈾酰離子的方法，其特征在于以疏水性離子液體為稀釋劑，以辛基苯基-N，N-二異丁基胺甲酰基甲基氧膦為萃取劑，從含鈾酰離子的水溶液中萃取得到鈾酰離子。
2、 根據權利要求1所述的方法，其特征在于所述疏水性離子液體是由一種 陽離子和一種陰離子構成的離子化合物；所述陽離子選自d-C8烷基取代的甲基咪 唑陽離子中的任意一種，所述陰離子選自雙三氟甲烷磺酰亞胺離子。
3、 根據權利要求2所述的方法，其特征在于所述疏水性離子液體選自下述至少一種c2mimNTf2、 C4mimNTf2、 C6mimNTf2和C8mimNTf2。
全文摘要
本發明公開了一種從水相中萃取分離鈾酰離子的方法。該方法以疏水性離子液體為稀釋劑，以辛基苯基-N，N-二異丁基胺甲酰基甲基氧膦為萃取劑，從含鈾酰離子的水溶液中萃取得到鈾酰離子。采用本發明的方法可以高效地從水相中萃取分離鈾酰離子，萃取分配比最高可達10³以上。該方法適用的水相酸度范圍大，從中性條件到3M HNO₃均可顯著萃取鈾酰離子。以離子液體作稀釋劑，萃取鈾酰離子過程中沒有發現乳化等對工藝不利的現象。由于離子液體本身幾乎沒有揮發性，體系也更為綠色環保。綜上，本發明方法在核燃料循環領域具有較好的應用前景。
文檔編號C22B3/38GK101638722SQ200910091388
公開日2010年2月3日 申請日期2009年8月21日 優先權日2009年8月21日
發明者超 徐, 沈興海, 陳慶德, 高宏成 申請人:北京大學