硼同位素分离过程的计算化学研究

摘要

高纯度的硼同位素产品在核电、医疗、军事等方面的应用日益广泛。开发具有我国自主知识产权的硼同位素分离技术具有重要的研究意义和实用价值，而理论研究的缺乏日益成为开拓此技术的瓶颈。本文运用量子化学和分子模拟的方法探讨了化学交换精馏法、离子交换色谱法和金属-有机骨架（MOFs）吸附法三种硼同位素分离过程的分离机理和分离因子，其中金属-有机骨架吸附法是本文首次提出的一种硼同位素分离方法。 在化学交换精馏法中，首先通过能量分解分析、自然键轨道分析等方法研究了络合物中三氟化硼与络合剂之间的电子传递情况，得出分离因子的大小与硼和氧之间的相互作用力的大小成反比的的结论。然后，运用大量的量子化学方法和基组进行试验，结果表明，用 M06-2X/6-31G(d,p)的方法来计算络合反应焓变和分离因子，误差都比较小。最后，创新性地将SMD溶剂化模型引入到分离因子的计算中，使得五种络合剂体系分离因子的相对误差值都降到10.8%以内，计算结果与实际结果较为符合。 在离子交换色谱法中，本文以Amberlite IRA-743树脂为例，首次用量子化学的方法来计算硼特效树脂的分离因子。结果发现，HF/6-31G方法计算的结果最为准确。在此方法下，预测了多种硼特效树脂官能团的分离因子，得出苯酚类和羧酸类官能团的分离因子比醇类大的结论，为基于离子交换色谱法分离硼同位素新材料的研发指明了方向。 在MOFs吸附法中，分析了硼酸在MIL-101(Cr)上的吸附位点，截取金属团簇模型，运用不同的量子化学方法计算分离因子。结果显示，随着基组的变化，分离因子最终趋向于1.050（一取代反应）和1.076（二取代反应），初步建立了MIL-101(Cr)上硼吸附的理论模型。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1 硼同位素概述

1.2 硼同位素的分离

1.3 计算化学方法简介及其在硼同位素分离中的应用

1.4 本论文研究内容和意义

第2章 化学交换精馏法分离硼同位素的研究

2.1 引言

2.2 计算模型

2.3 计算方法

2.4 结果与讨论

2.5 本章小结

第3章 离子交换色谱法分离硼同位素的研究

3.1 引言

3.2 计算模型

3.3 计算方法

3.4 结果与讨论

3.5 本章小结

第4章 金属-有机骨架吸附法分离硼同位素的研究

4.1 引言

4.2 计算模型

4.3 计算方法

4.4 结果与讨论

4.5 本章小结

第5章 结 论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢