利用模拟移动床色谱分离硼同位素的方法

摘要

本发明公开一种利用模拟移动床色谱分离硼同位素的方法。该方法是以天然硼酸溶液为原料，去离子水为流动相，以弱碱性阴离子交换树脂为固定相，用模拟移动床色谱从硼酸中选择性地分离出具有高热中子吸收截面的同位素10B。通过配制一定浓度的硼酸水溶液，将硼酸溶液过滤除杂，得到模拟移动床的进样液，然后模拟移动床上样，在萃取口收集富集同位素10B的浓缩硼酸，蒸发浓缩得到目标产物。本发明的硼同位素分离方法是一种连续分离硼同位素的方法，分离效率高。

说明书

技术领域

本发明属于一种同位素分离方法，具体涉及一种利用离子交换色谱与模拟移动床技术相结合进行稳定硼同位素分离的方法。

背景技术

硼(B)有两种稳定的同位素：¹⁰B和¹¹B。其中¹⁰B具有很高的热中子吸收截面(3837靶)，是一种良好的反应堆控制材料。然而，天然硼中同位素¹⁰B的含量较低，为19.78％，大部分是热中子吸收截面只有0.005靶的同位素¹¹B。因此需要将两种同位素分离，得到富¹⁰B的浓缩硼以提高中子吸收性能。在反应堆冷却系统中若使用浓缩硼酸(¹⁰B enriched boric acid，EBA)，则能够降低冷却剂中的硼酸浓度，降低放射性废物排量，减轻对锆合金包壳的腐蚀以及蒸气发生器管道的应力腐蚀开裂，有利于核电站延寿。然而，由于目前从天然硼酸到富集硼酸转换的生产成本太高，如对于¹⁰B富集度为92％的浓缩硼，化学交换法的分离成本约为2-3$/g，而核电站能接受的最高价格是1$/g。从而防碍了天然硼酸到富集硼酸转换，因此迫切需要研究出一种相对便宜的分离方法。专利号为US4447303的美国专利“Method ofseparation boron isotopes”公开了一种激光分离硼同位素的方法，但是该方法产量低，难以形成规模化生产。

为了提高硼同位素的分离效率，专利号为US5443732的美国专利在“Boron isotope separation using continuous ion exchange chromatography”中公开了一种连续离子交换色谱分离方法，它是以硼酸溶液为原料，以弱碱型阴离子交换树脂为交换剂，用去离子水洗脱，用环状色谱分离硼同位素。该方法需要离子交换柱具有足够的长度和宽度，因此在制备高富集度浓缩硼时有一定的局限性。

为了提高稳定硼同位素的富集度，专利号为WO2009/138992 A1的国际专利在“An innovative‘cut-and-feed’operation for enhancing the performance ofion-exchange chromatographic separation”中公布了一种间歇式的离子交换色谱。该发明方法首先在色谱柱内形成一轻同位素¹⁰B富集带，接着将¹⁰B富集带断开洗脱，同时天然硼酸连续加入柱中富集进行下一步洗脱。该方法能有效克服富集带的平台区(42.9％)，并优化出带的流速范围为5cm/h～15cm/h，但由于是非连续操作，分离周期增长。

模拟移动床色谱法(simulated moving bed chromatography，简称SMBC)它既保留了色谱分离的优点，又集约了化工中的连续、逆流、回流等因素，使系统具有规模化分离的能力。近年来，模拟移动床色谱技术已在药物分离方面取得了快速发展，但是，对于使用模拟移动床色谱分离硼同位素的方法迄今仍未见公开报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高的分离效率和生产成本低的利用模拟移动床色谱分离硼同位素的方法。

本发明的技术方案如下：

利用模拟移动床色谱分离硼同位素的方法，其特征在于：所述的方法具体步骤如下：

步骤一：配制硼酸水溶液

将硼酸固体置于烧杯中，加入蒸馏水，搅拌溶解；将溶液注入容量瓶中，用蒸馏水洗烧杯，并将洗液倒入容量瓶中，配制成硼酸水溶液；

步骤二：过滤除杂

将硼酸溶液用滤膜过滤，除去溶液中的杂质，超声脱气，得到模拟移动床的进样液；

步骤三：蒸发浓缩

将进样液连续加入模拟移动床色谱分离系统中，同时用去离子水洗脱，设定模拟移动床分区流速和端口切换时间及运行温度；模拟移动床系统达到平衡状态后，在模拟移动床的萃取口收集富集同位素¹⁰B的浓缩硼酸溶液，将收集到的硼酸溶液置于干燥烘箱中进行蒸浓，得到固体浓缩硼酸。

其附加特征在于：

所述步骤三中的模拟移动床的色谱柱分为I～IV个区；其中II区由2-6支色谱柱组成，I区和III区各由2支色谱柱组成，IV区由0～2支色谱柱组成；I区流速51cm/h～85cm/h；II区流速为45cm/h～76cm/h；III区流速为46cm/h～84cm/h；IV区流速0cm/h～5cm/h；端口切换时间为15min～30min；运行温度为10～40℃。

所述模拟移动床色谱柱中的填料为弱碱性阴离子交换树脂。

所述的弱碱性阴离子交换树脂为D301-G或DIAN树脂。

所述步骤一中硼酸水溶液的浓度为6g/L-30g/L硼酸。

所述步骤二中的超声脱气时间为10～15min。

所述步骤三中硼酸溶液在干燥烘箱中蒸浓的温度为50℃-90℃。

本发明的效果在于：与背景技术的硼同位素分离方法相比，本发明的硼同位素分离方法是一种连续分离硼同位素的方法，分离效率高；相比化学交换法，该方法能有效降低浓缩硼的生产成本。

具体实施方式

本发明的方法是以天然硼酸溶液为原料，以去离子水为流动相，以弱碱性阴离子交换树脂为固定相，用模拟移动床色谱从硼酸中选择性地分离出具有高热中子吸收截面的同位素¹⁰B。通过配制一定浓度的硼酸水溶液，将硼酸溶液过滤除杂，得到模拟移动床的进样液，然后模拟移动床上样，在萃取口收集富集同位素¹⁰B的浓缩硼酸，蒸发浓缩得到目标产物。

本发明采用的模拟移动床由8～12支装有平均粒度0.28mm的弱碱性阴离子交换树脂填料的色谱柱组成，弱碱性阴离子交换树脂为D301-G或DIAN树脂。色谱柱的高径比10∶1；色谱柱分为I～IV个区；其中II区由2-6支色谱柱组成，I区和III区各由2支色谱柱组成，IV区由0～2支色谱柱组成；I区流速51cm/h～85cm/h；II区流速为45cm/h～76cm/h；III区流速为46cm/h～84cm/h；IV区流速0cm/h～5cm/h；端口切换时间为15min～30min；运行温度为10～40℃。

具体步骤如下：

步骤一：配制硼酸水溶液

将硼酸固体置于烧杯中，加入蒸馏水，搅拌溶解；将溶液注入容量瓶中，用蒸馏水洗烧杯，并将洗液倒入容量瓶中，最后定容摇均，配制成硼酸水溶液；

步骤二：过滤除杂

将硼酸溶液用滤膜过滤，除去溶液中的杂质，然后进行超声脱气，得到模拟移动床的进样液；

步骤三：蒸发浓缩

将进样液连续加入模拟移动床色谱分离系统中，同时用去离子水洗脱，设定模拟移动床分区流速和端口切换时间；模拟移动床系统达到平衡状态后，在模拟移动床的萃取口收集富集同位素¹⁰B的浓缩硼酸溶液，将收集到的硼酸溶液置于干燥烘箱中，在50℃-90℃温度范围内，进行蒸浓，得到固体浓缩硼酸。

下面，结合实施例对本发明的方法作进一步描述：

实施例1

步骤一：配制硼酸水溶液

用电子天平秤取硼酸固体3g置于烧杯中，加入蒸馏水，搅拌溶解；将溶液注入500ml容量瓶中，用蒸馏水洗烧杯3次，将洗液倒入容量瓶中，定容摇均，配成6g/L的硼酸溶液；

步骤二：过滤除杂

将硼酸溶液用0.45μm滤膜过滤，除去溶液中的杂质，然后对抽滤后的硼酸水溶液进行超声脱气，超声脱气时间10min，得到模拟移动床的进样液。模拟移动床由8支色谱柱组成，色谱柱的高径比10∶1；8支色谱柱分为4个区，每区由2支色谱柱组成；色谱柱填料为平均粒度为0.28mm的DIAN弱碱性阴离子交换树脂，模拟移动床的运行温度30℃。

步骤三：蒸发浓缩

将进样液连续加入模拟移动床色谱分离系统中，同时用去离子水洗脱，设定I区流速85cm/h，II区流速为76cm/h；III区流速为84cm/h；IV区流速10cm/h；端口切换时间15min；模拟移动床系统达到平衡状态后，在模拟移动床萃取口收集富¹⁰B的硼酸溶液，将收集到的硼酸溶液置于干燥烘箱中，在50℃温度下进行蒸浓，得到¹⁰B富集度为25％的固体硼酸。

实施例2

步骤一：配制硼酸水溶液

用电子天平秤取硼酸固体15g置于烧杯中，加入蒸馏水，搅拌溶解；将溶液注入500ml容量瓶中，用蒸馏水洗烧杯3次，将洗液倒入容量瓶中，定容摇均，配成30g/L的硼酸溶液；

步骤二：过滤除杂

将硼酸溶液用0.45μm滤膜过滤，除去溶液中的杂质，然后对抽滤后的硼酸水溶液进行超声脱气，超声脱气时间12min，得到模拟移动床的进样液。模拟移动床由8支色谱柱组成，色谱柱的高径比10∶1，8支色谱柱分为3个区，其中II区由4支色谱柱组成，I区和III区由2支色谱柱组成；色谱柱填料为平均粒度为0.28mm的DIAN弱碱性阴离子交换树脂；模拟移动床的运行温度10℃。

步骤三：蒸发浓缩

将进样液连续加入模拟移动床色谱分离系统中，同时用去离子水洗脱，设定I区流速68cm/h，II区流速为61cm/h；III区流速为63cm/h；端口切换时间20min；模拟移动床系统达到平衡状态后，在萃取口收集硼酸溶液，将收集到的硼酸溶液置于干燥烘箱中，在70℃温度下进行蒸浓，得到¹⁰B富集度为45％固体硼酸。

实施例3

步骤一：配制硼酸水溶液

用电子天平秤取硼酸固体6g置于烧杯中，加入蒸馏水，搅拌溶解；将溶液注入500ml容量瓶中，用蒸馏水洗烧杯2次，将洗液倒入容量瓶中，定容摇均，配成12g/L的硼酸溶液；

步骤二：过滤除杂

将硼酸溶液用0.45μm滤膜过滤，除去溶液中的杂质，然后对抽滤后的硼酸水溶液进行超声脱气，超声脱气时间15min，得到模拟移动床的进样液。模拟移动床由12支色谱柱组成，分为4个区，其中II区由6支色谱柱组成，I区、III区、IV区各由2支色谱柱组成；色谱柱填料为平均粒度为0.28mm的D301-G弱碱性阴离子交换树脂；模拟移动床的运行温度40℃。

步骤三：蒸发浓缩

将进样液连续加入模拟移动床色谱分离系统中，同时用去离子水洗脱，设定I区流速51cm/h，II区流速为45cm/h；III区流速为46cm/h；IV区流速为5cm/h；端口切换时间30min；模拟移动床系统达到平衡状态后，在萃取口收集硼酸溶液，将收集到的硼酸溶液置于干燥烘箱中，在90℃温度下进行蒸浓，经蒸浓得到¹⁰B富集度为80％固体硼酸。

选用与实施例1相同的色谱柱填料(平均粒度为0.28mm的DIAN弱碱性阴离子交换树脂)，相同的原料(浓度为6g/L的硼酸溶液)，以及相同的运行温度(30℃)和色谱柱规格，进行模拟移动床色谱分离方法与间歇式离子交换色谱分离方法分离硼同位素实验，两种分离方法的分离性能如下表：

模拟移动床色谱与间歇式离子交换色谱分离硼同位素分离效果比较

从上表中可以看出，生产同样富集度为25％的浓缩硼酸，模拟移动床色谱分离，单位时间内的产量约为间歇式离子交换色谱的4.7倍。