離子液體中UO2(CMPO)3(NO3)2的組裝及CMPO萃取鈾的機理

2021-04-20 06:15:52吳凱閣沈興海

核化學與放射化學 2021年2期

吳凱閣，沈興海

北京分子科學國家研究中心，放射化學與輻射化學重點學科實驗室，應用物理與技術研究中心，化學與分子工程學院，北京大學，北京 100871

離子液體(ionic liquid, IL)是一種由陰陽離子構成、在室溫或室溫附近溫度下呈液體狀態的有機鹽類，由于其具有蒸氣壓低、穩定性高、溶解能力強等優點已被廣泛應用于萃取分離、化學合成、催化以及膠體與界面化學等眾多領域[1-5]。

目前，已有文獻[6-14]綜述了兩親分子在IL中形成的膠束、囊泡、微乳液、液晶等超分子組裝體。Rao等[15]研究了Triton X-100(TX-100)在1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽(C4mimPF6)與硝酸乙基胺(EAN)混合溶劑中的聚集行為。結果表明，將EAN加入到TX-100的C4mimPF6溶液后，EAN可以插入到TX-100/C4mimPF6膠束中。Gayet等[16]發現一種磷脂酰膽堿類兩親分子在1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽(C4mimBF4)、C4mimPF6、1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲基磺酰亞胺鹽(C2mimNTf2)和N-芐基吡啶雙三氟甲基磺酰亞胺鹽(BnPyNTf2)中均可以自發形成囊泡。離子液體介質中的自組裝研究所涉及的兩親分子多為有機化合物，而金屬配合物在離子液體中的組裝鮮有報道。Hao等[17]發現 Zn(OOCCH2C6F13)2在C4mimBF4中可以形成囊泡，十四烷基二甲基氧化胺(C14DMAO)、Zn(OOCCH2C6F13)2混合體系在C4mimPF6中也可以形成囊泡。作者推測Zn(OOCCH2C6F13)2結構中的Zn2+是疏溶劑部分，碳氫、碳氟鏈是親溶劑部分。分子之間通過弱的相互作用如偶極-偶極、范德華力形成聚集體。離子液體與Zn(OOCCH2C6F13)2的極性頭存在靜電相互作用，具體的形成機理需要進一步研究。Rao等[18]用N,N,N′,N′-四(2-乙基己基)-3-氧戊二酰胺(T2EHDGA)和正辛基苯基-N，N-二異丁基胺基甲?；谆趸?CMPO)萃取Eu3+時發現，萃合物在甲基三丁基銨雙三氟甲基磺酰亞胺鹽(N1444NTf2)中形成了聚集體，但并未深入研究其形貌和類型。

1 實驗部分

1.1 試劑

CMPO，純度高于98%，卡博森斯化學科技(蘇州)有限公司。C2mimNTf2由1-乙基-3-甲基咪唑溴鹽(C2mimBr)和雙三氟甲基磺酰亞胺鋰鹽(LiNTf2)反應制得[25]；C2mimBr和 LiNTf2，純度均高于 99%，中國科學院蘭州化學物理研究所。C2mimNTf2使用前在60 ℃、P2O5存在下真空干燥24 h，其含水量可忽略不計[26]。UO2(NO3)2·6H2O是粗產物經重結晶得到。1,2-二氯乙烷為分析純，HNO3為優級純，實驗用水為超純水(自制)。CMPO、C2mimNTf2的結構示于圖1。

圖1 CMPO、C2mimNTf2結構

1.2 儀器

Solarix XR傅立葉變換離子回旋共振質譜儀，Bruker公司；JEM-2100透射電子顯微鏡(TEM)，日本電子公司；DENSsolutions Ocean S3液體樣品桿，DENS公司；Leica BAF-060冷凍刻蝕儀，LEICA公司；Tecnai G2 T20透射電子顯微鏡，FEI公司；Dionex model ICS-900離子色譜，Dionex公司，數據通過Chromeleon 7.0軟件處理；TSQ-280恒溫振蕩器，精宏公司；Master-S超純水機，上海和泰儀器有限公司。

1.3 實驗方法

(1)UO2(CMPO)3(NO3)2在C2mimNTf2中的組裝研究

按照文獻[24]的方法合成UO2(CMPO)3(NO3)2。將UO2(CMPO)3(NO3)2溶解在C2mimNTf2中，配制成1 mmol/L溶液。在3 mL上述溶液中加入70 μL水，振蕩混合成均一溶液作為TEM待測樣品。

原位TEM的樣品制備是在室溫下將待測樣品密封于芯片中，然后由液體樣品桿轉移到JEM-2100透射電子顯微鏡樣品腔中進行觀察。冷凍刻蝕樣品制備是將待測樣品快速冷卻以使溶劑玻璃化，從而保持住樣品中聚集體的原始結構。在冷凍刻蝕儀上以外加力將固態樣品斷裂，對所得的截面依次噴鉑和碳，再溶解掉原樣品，得到鉑-碳復型膜。最后，將制得的鉑-碳復型膜轉移至T20透射電子顯微鏡中觀察。

在2 mL塑料離心管中加入0.5 mL離子液體相和0.5 mL水相，在恒溫振蕩器中(25 ± 1)℃下振蕩1 h(根據文獻[22]報道，5 min即可達到萃取平衡)。離子液體相為60 mmol/L CMPO的C2mimNTf2溶液，水相為10 mmol/L UO2(NO3)2的水溶液(HNO3濃度為0.1 mol/L)。