CMPO/[Cnmim][NTf2]对铕和铀的萃取行为研究

摘要

随着核电的广泛利用，不可避免地将会产生越来越多的乏燃料，如何处理这些乏燃料已经成为世界各国关注的热点。由于在乏燃料后处理的过程中产生的高放废液里含有半衰期长、放射性强的次锕系核素，使得处理它们变得非常的困难。目前比较理想的处理方式是将其分离后嬗变转化为低放射性或无放射性的元素，这样就能极有效地降低了后续处理的潜在危害。但是在进行嬗变处理前，需要将次锕系元素与具有很高中子吸收截面且大量存在于乏燃料废液中的镧系元素进行分离。然而，由于次锕系元素的化学性质与镧系元素的化学性质非常的相近，这会给两者的分离带来很大的麻烦。几十年来，辛基(苯基)-N,N-二异丁基胺甲酰基甲基氧化膦(CMPO)在萃取锕系元素方面具有公认的突出表现，尽管如此，与其一起的有机萃取剂和稀释剂在萃取过程中会产生水解和辐射降解导致萃取性能下降。这一问题严重地制约了这类萃取剂的应用前景，因此有必要寻找兼具良好的萃取能力与辐射稳定性的新萃取体系。离子液体拥有不容易挥发性、易燃行差、加热不分解和化学性质不容易改变、可自行设计等特点，已经被广泛的用在各种金属的萃取回收中，因此，离子液体在乏燃料后处理中，取代传统的各种有机溶剂成为新型的绿色溶剂展现出了辽阔的应用前景。所以本课题选取CMPO作为萃取剂，离子液体作为稀释剂，组成新型的萃取体系，研究其对镧、锕元素代表铕和铀的萃取行为，以期能在镧锕元素分离的研究上开拓新思路，在实际的废物处理中得到应用。然而在此之前，需要对这种新型萃取体系针对镧、锕元素的萃取行为上做系统、深入的研究。
　　本文讨论了 CMPO/1-烷基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐([Cnmim][NTf2]，n=2，6，8，12)萃取体系分别对硝酸溶液中的铕离子(Eu3+)和铀酰根离子(UO2+2)的萃取行为。主要研究了这种新型萃取体系的耐酸性，萃取动力学，热力学以及萃取机理，并探究了离子液体结构变化对萃取行为的影响，最后选取CMPO/[C2mim][NTf2]体系初步研究了其辐照稳定性并用其对模拟高放废液中的镧锕元素进行了萃取分离。本论文一共分为5章，每章的主要研究内容与结论概括如下：
　　论文首先介绍本课题的研究背景。未来，能源的发展离不开核能，核能是能源发展的必由之路，核能必将成为未来能源结构中的重要一环。核电作为核能利用的最主要的方式，其发展前景不可限量。然而核电的发展就会带来核燃料后处理，核燃料后处理首要的任务就是对高放废液的处置，水法后处理是目前应用比较广泛的处理方式。接着介绍萃取剂CMPO在镧锕元素分离中的应用，最后是新型绿色溶剂离子液体的概念介绍，以及这类溶剂在乏燃料后处理相关领域内的研究成果。综合上述内容引出本论文的选题意义，研究内容以及研究目标。
　　论文第二章主要研究了以CMPO为萃取剂，以疏水性咪唑类离子液体[Cnmim][NTf2]为稀释剂，对硝酸溶液中Eu3+的萃取行为。首先，我们在各酸度下进行了 CMPO/[Cnmim][NTf2]萃取体系的酸度预存性实验。接着为了探究萃取平衡时间，我们进行了萃取动力学方面的实验。在最优实验条件下，我们探究了萃取剂CMPO浓度对Eu3+萃取行为的影响，并讨论了萃取机理，萃取反应的热力学。此外，我们还探讨了离子液体结构的变化对体系萃取行为的影响，萃取过程中第三相的成因，并在相同的实验条件下评价了新体系与传统有机溶剂萃取体系的优缺点。
　　论文第三章主要研究以CMPO为萃取剂，以[Cnmim][NTf2]为稀释剂，对硝酸溶液中 UO2+2的萃取行为。首先我们考察了CMPO/[Cnmim][NTf2]萃取体系的酸度预存性实验，接着为了探究萃取平衡时间我们在合适的酸度下进行了萃取动力方面的实验。然后，我们研究了各体系针对UO2+2的萃取机理以及萃取反应的热力学，在相同的实验条件下同传统有机溶剂萃取体系进行对比实验，这过程中我们探究了稀释剂[Cnmim][NTf2]的侧链烷基长度变化对 UO2+2萃取行为的影响。
　　论文第四章以前面的实验结果为依据，选取了萃取性能相对较好的CMPO/[C2mim][NTf2]体系，初步研究了该新型萃取体系的辐射稳定性，结果发现，这种新体系相对于传统的有机体系具有较好的辐照保护效应。为考察新体系的应用效果，我们用其对模拟高放废液中的铕和铀的进行了萃取分离，发现不管在高酸还是低酸下，新体系的萃取结果明显优于传统有机体系。
　　论文第五章讨论本论文的主要实验结论并提出了本研究的创新点，在此基础上对后续的工作做出新的规划。

目录

声明

第一章 绪论

1.1核能、核燃料循环与核燃料后处理

1.2 CMPO简介

1.3离子液体简介

1.4选题依据与研究目标

第二章 CMPO/[Cnmim][NTf2]体系对Eu3+的萃取

2.1实验部分

2.2结果与讨论

2.3本章小结

第三章 CMPO/[Cnmim][NTf2]萃取体系对UO2+2 的萃取

3.1实验部分

3.2结果与讨论

3.3本章小结

第四章 CMPO/[C2mim][NTf2]体系辐照稳定性探讨

4.1实验部分

4.2结果与讨论

4.3本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2主要创新点

5.3展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文