6,6′-二(5,6-二乙基-1,2,4-三嗪-3-基)-2,2′-聯(lián)吡啶萃取分離镅與鑭系元素

洪 哲，葉國安，唐洪彬，何 輝

1.中國原子能科學(xué)研究院 放射化學(xué)研究所，北京 102413；2.環(huán)境保護部 核與輻射安全中心，北京 100082

乏燃料經(jīng)過后處理，大部分鈾、钚(一般水法流程對鈾的回收率可達99.8%以上，對钚的回收率可達99.5%以上[1])被回收，同時，大部分的裂變產(chǎn)物(FP)與次錒系元素(Am、Cm)進入高放廢液(HLLW)。HLLW的安全處理與處置成為公眾高度關(guān)注的問題，也成為制約核能發(fā)展的關(guān)鍵因素。分離-嬗變的路線成為解決這一問題的較好途徑。

目前，對HLLW組分離研究較多的有以下幾個流程：國外有美國的TRUEX流程[2]、日本的DIDPA流程[3]、法國的DIAMEX流程[4]、瑞典的CTH流程[5-6]，國內(nèi)的有TRPO流程[7]、酰胺莢醚流程[8-10]，都取得了不錯的分離效果。在這些流程中均可實現(xiàn)次錒系元素與裂片元素的分離，且將三價錒系與鑭系元素分在一組。但由于Am、Cm與鑭系元素化學(xué)性質(zhì)非常相似，分離困難[11-12]，因此它們一起作為α廢物排出。為進一步減少α廢物體積以及今后嬗變的需要，需將Am、Cm與鑭系元素分離[13]。

含N類軟配體萃取劑對三價錒系的親和力大于對鑭系元素的親和力，其中，6,6′-二(5,6-二烷基-1,2,4-三嗪-3-基)-2,2′-聯(lián)吡啶(R-BTBP)對三價錒系元素的萃取分配比較高[14]，而且可以在1 mol/L HNO3體系中應(yīng)用，便于和組分離流程的銜接。萃取劑中R基越長，其在有機溶劑中的溶解性能越好，但其對Am的萃取分配比卻無直接關(guān)系，6,6′-二(5,6-二乙基-1,2,4-三嗪-3-基)-2,2′-聯(lián)吡啶(C2-BTBP)對Am/Ln的分離性能好且研究較少。因此，本工作擬以C2-BTBP為萃取劑，對C2-BTBP分離镅與鑭系元素的行為進行研究。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

GL-88B漩渦混合器，海門市其林貝爾儀器制造有限公司；800型離心機，上海手術(shù)器械廠；LS-6000LL型低本底α-β液體閃爍譜儀，美國Beckman公司；ICP-AES分析儀，美國Thermo公司。

C2-BTBP，本實驗室合成，經(jīng)MS、IR、1H NMR鑒定，其結(jié)構(gòu)示于圖1；氯仿(CHCl3)，分析純，北京益利精細化學(xué)品有限公司；241Am，中國原子能科學(xué)研究院產(chǎn)品；其它試劑均為分析純。

圖1 C2-BTBP的結(jié)構(gòu)圖

1.2 實驗方法

稀土料液的配置：稱取一定量的金屬硝酸鹽溶于1 mol/L硝酸中，其濃度列于表1。

表1 混合稀土料液中各元素的質(zhì)量濃度

萃取平衡時間測定：在室溫下，將水相料液與C2-BTBP/CHCl3按一定體積比加入到塑料離心管中，測量振蕩不同時間后水相和有機相中241Am的放射性活度，當(dāng)其不隨時間而改變時，則認為萃取達到平衡。

萃取實驗：將等體積的有機相和含放射性的水相混合接觸，振蕩時間t(t為萃取達平衡的時間，min)，離心分相，取樣測量有機相和水相中的放射性計數(shù)。

1.3 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 稀釋劑的選擇

C2-BTBP為黃色固體粉末，萃取前須找到合適的溶劑將其溶解。因此考察了C2-BTBP在烷烴、氯代烷烴、酯、醇類中的溶解情況。

研究發(fā)現(xiàn)，C2-BTBP在正十二烷中基本不溶，液相為無色透明溶液；在正辛醇、乙酸乙酯中溶解度很小，不利于進行萃取行為研究；在二氯甲烷、三氯甲烷、1，1，2，2-四氯乙烷中溶解度良好。

在液體氯代烴中，1，1，2，2-四氯乙烷的毒性最大，對身體危害最大，故不用它作為稀釋劑。二氯甲烷的飽和蒸汽壓遠大于三氯甲烷的飽和蒸汽壓，表明二氯甲烷相對三氯甲烷更易揮發(fā)，不便于生產(chǎn)使用。因此，綜合考慮溶解性能、毒性和溶劑的揮發(fā)性，選擇三氯甲烷作為研究C2-BTBP基本性能的稀釋劑，以了解此萃取劑的性能。

2.2 C2-BTBP對镅的萃取研究

2.2.1振蕩時間對兩相活度比的影響 圖2給出了在一定振蕩強度下C2-BTBP萃取Am時振蕩時間對兩相活度比的影響。從圖2可以看出，Am的分配比在10 min左右基本達到萃取平衡。所以后續(xù)實驗選擇兩相混合時間為10 min。

圖2 C2-BTBP萃取Am時兩相活度比隨時間的變化

圖3 初始水相酸度對D(Am)的影響

2.2.3萃取劑濃度對D(Am)的影響 根據(jù)文獻[15]對C2-BTBP萃取行為的研究，C2-BTBP對Am(Ⅲ)的萃取反應(yīng)方程式可表示為：

(1)

(1)式中，S代表萃取劑。萃取平衡常數(shù)為：

(2)

(3)

根據(jù)分配比定義：

(4)

將(2)式代入(4)式得Am3+的分配比為：

(5)

lgD(Am3+)=ilgco(S)+

(6)

由于在一定溫度和離子強度下，Kex恒定，固定其他條件不變，改變萃取劑濃度，可以得到：

lgD(Am3+)=ilgco(S)+C

(7)

式中，C為常數(shù)。可通過圖解法求i值。由(7)式知，固定其他條件，測量不同萃取劑濃度對萃取分配比的影響，以lgD(Am3+)對lgco(S)作圖，則直線斜率為i。其lgD(Am3+)-lgco(C2-BTBP)關(guān)系示于圖4。從圖4可以看出，當(dāng)萃取劑的濃度比較低時，lgco(C2-BTBP)的值低于-1.46(萃取劑濃度低于0.035 mol/L)時，直線的斜率是1.6，根據(jù)斜率分析法，可以判斷萃和物中有Am(NO3)3·C2-BTBP和Am(NO3)3·2(C2-BTBP)兩種結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)的比例大致為1∶1，反應(yīng)如式(8)和(9)所示。當(dāng)萃取劑的濃度增大時，lgco(C2-BTBP)的值大于-1.40(萃取劑濃度高于0.04 mol/L)時，直線的斜率是2.0，根據(jù)斜率分析法，可判定萃合物結(jié)構(gòu)為Am(NO3)3·2(C2-BTBP)，反應(yīng)式如式(9)所示。

圖4 萃取劑濃度對Am分配比的影響

Am(NO3)3·C2-BTBPo

(8)

Am(NO3)3·2(C2-BTBP)o

(9)

2.2.4相比對萃取率(E)的影響 在固定水相酸度、萃取劑濃度等條件下研究了不同相比時C2-BTBP對Am的萃取率的影響，其結(jié)果列于表2。從表2可以看出，相比對萃取率的影響較大，故可通過增大相比來提高Am的萃取率，但增大相比同時也會增加有機廢物量。因此，單級萃取實驗選用1∶1的相比，在流程設(shè)計中采用1∶2的相比，可以減少萃取劑用量，同時也減少有機廢物量。

表2 相比對萃取率的影響

注(Notes)：c0(HNO3)=1 mol/L，c(C2-BTBP/CHCl3)=0.035 mol/L，θ=12 ℃，t=10 min

2.3 C2-BTBP對鑭系元素的萃取行為研究

2.3.1兩相接觸時間對13種鑭系元素萃取行為的影響 圖5為C2-BTBP對13種鑭系元素萃取時時間對兩相分配比的影響。由圖5可以看出，La、Ce兩種元素在萃取30 min內(nèi)有機相中的濃度低于儀器的檢測下限，表明La、Ce的萃取率非常低；Pr、Nd、Eu、Gd幾種元素在萃取5 min內(nèi)達到平衡(Nd、Eu、Gd在2 min內(nèi)萃取達到平衡)，萃取動力學(xué)較快；Tb、Dy幾種元素在萃取10 min時達到平衡；而Ho、Er、Tm、Yb、Lu在萃取30 min時仍未達到平衡。綜上，隨著原子序數(shù)的增加，萃取達到平衡所需的時間增加。由于Am在10 min時萃取達到平衡，本工作目的是進行錒系與鑭系元素的分離，鑭系的分配比越低越好，因此，可利用二者的萃取動力學(xué)差異，最終選擇萃取時間為10 min。

圖5 兩相接觸時間對萃取鑭系元素的影響

2.3.2酸度對分配比的影響 圖6為C2-BTBP對13種鑭系元素萃取時酸度對兩相分配比的影響。由圖6可知，在0.05～4 mol/L酸度范圍內(nèi)，La基本不被萃取，其余12種鑭系元素的萃取分配比先增高后降低，均在3 mol/L酸度時達到最大值。原因同2.2.2節(jié)。

2.4 串級實驗

2.4.1概念流程的設(shè)計 根據(jù)C2-BTBP對Am和鑭系元素萃取行為的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，擬定了串級實驗工藝流程，萃取劑濃度為0.04 mol/L C2-BTBP/CHCl3，水相進料酸度為1.0 mol/L HNO3，組成見表1。1.0 mol/L HNO3作洗滌液，0.01 mol/L HNO3作反萃劑，概念流程示于圖7。該流程由6級萃取、4級洗滌、4級反萃組成。流比：AF∶AX∶AS=1∶1∶0.5,BF∶BX=1∶1，實驗溫度為15 ℃。

2.4.2兩相出口濃度變化 按照6級萃取、4級洗滌進行串級實驗，做到40排，Am的有機相從第27排開始取瞬時樣，水相從第28排開始取瞬時樣。Ln的有機相從第31排開始取瞬時樣，水相從第30排開始取瞬時樣，結(jié)果示于圖8。從圖8可以看出，串級實驗進行到30排時，兩相出口處的計數(shù)(濃度)趨于定值，萃取已經(jīng)達到了平衡。因此，在30排以后取各級樣均達到平衡。

圖6 酸度對萃取鑭系元素的影響

圖7 C2-BTBP分離镅和鑭系元素的概念流程圖

圖8 Am(a)和鑭系元素(b)各排瞬時樣

2.4.3Am和La在萃取洗滌段的各級分布 串級實驗在進行到第35排時取平衡樣，級數(shù)為偶數(shù)級。然后再進行5排實驗，在第40排時取奇數(shù)級的平衡樣。圖9是Am和La在萃取洗滌段的各級分布。從圖9(a)可以看出，基本上所有的Am都萃取到了有機相中，而且經(jīng)過兩級萃取后，即從第四級開始，料液中的Am基本已全部萃入到有機相中，說明C2-BTBP對Am的萃取分配比很高。從圖9(b)可以看出，萃取劑對La基本不萃取，所有的La全部留在了水相。因此，通過設(shè)計的流程，用C2-BTBP/CHCl3，可很好的實現(xiàn)Am/La的分離。串級實驗中Am和Ln的萃取率和物料衡算等數(shù)據(jù)列于表3。從表3可知，在整個萃取洗滌段，Am的萃取率為99.93%，Ln的萃取率小于0.03%，去污因子(DF)大于103。因此，可通過6級萃取、4級洗滌實現(xiàn)Am/Ln的分離。

圖9 Am(a)和La(b)在萃取洗滌段的各級分布

表3 串級實驗Am、Ln的萃取率及物料衡算

2.4.4與DiBTP[16]分離三價錒系與鑭系元素的性能比較 為比較C2-BTBP與DiBTP[16]分離三價錒系與鑭系元素的性能，現(xiàn)將二者的串級實驗參數(shù)和結(jié)果列于表4。從表4可知：C2-BTBP與DiBTP各有優(yōu)缺點，C2-BTBP的優(yōu)點是進料酸度高(1.0 mol/L HNO3)，工業(yè)上易于控制，Am和Ln的凈化效果好，單級反萃容易，不需要加入絡(luò)合劑，缺點是稀釋劑的選擇有待進一步的研究；DiBTP的優(yōu)點是用正辛醇和十二烷做為稀釋劑，缺點是進料酸度低(0.2 mol/L HNO3)，Am中Ln(Eu)的凈化效果差，單級反萃實驗時發(fā)現(xiàn)需要加入絡(luò)合劑來反萃Am。

表4 C2-BTBP與DiBTP的串級實驗參數(shù)和結(jié)果比較

3 結(jié) 論

通過C2-BTBP對镅和鑭系元素的萃取行為研究，得出了以下幾點結(jié)論。

(1)C2-BTBP萃取Am時，10 min達到平衡；D(Am)隨酸度增加先增大后減小，因此，可在0.5～2 mol/L硝酸范圍內(nèi)進行萃取實驗，在考察的酸度范圍內(nèi)，鑭系元素的分配比較小。表明C2-BTBP是一種很好的分離Am和鑭系元素的萃取劑，也證實了含軟配位原子的萃取劑對三價錒系元素有更高的選擇性。

(2)提出了C2-BTBP/CHCl3體系分離三價錒系與鑭系元素的概念流程，并經(jīng)串級實驗驗證。萃取劑(C2-BTBP/CHCl3)濃度為0.04 mol/L，料液酸度為1.0 mol/L HNO3，洗滌液酸度為1.0 mol/L HNO3，流比為AF∶AX∶AS=1∶1∶0.5，經(jīng)6級萃取、4級洗滌后，镅的萃取率為99.93%，去污因子大于103，Am中鑭系元素的含量小于0.03%，可較好的實現(xiàn)镅和鑭系元素的分離。

(3)C2-BTBP可以在c0(HNO3)=1 mol/L時，較好地實現(xiàn)镅和鑭系元素的分離；BTBP類作為萃取劑的難點之一是其稀釋劑選擇問題，本工作以三氯甲烷作為稀釋劑在核工業(yè)中的進行應(yīng)用存在一定問題，因此可作為研究C2-BTBP基本性能的稀釋劑，以了解此萃取劑的性能，關(guān)于稀釋劑的選擇仍需進一步的研究。

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