R-BTP-SiO2-P吸附劑對鑭系元素及次錒系核素的吸附分離特性研究.pdf

1、在先進(jìn)的核燃料后處理體系中，次錒系元素（Minor actinides，MA=Am，Cm等）的分離是核心任務(wù)。次錒系元素具有α放射性且半衰期長，是乏燃料后處理產(chǎn)生的高放廢液（High level liquid waste，HLLW）中對人類環(huán)境具有長期潛在放射性危害的決定性核素。如果能將其從HLLW中分離并嬗變?yōu)槎虊勖蚍€(wěn)定的核素會從根本上解決放射性廢物對環(huán)境可能產(chǎn)生的潛在威脅。但由于MA和鑭系元素的化學(xué)性質(zhì)極為相似，且HLLW中鑭系元

2、素含量約是MA的20-50倍，使得兩者的分離極為困難。
　　本文選用對MA具有良好分離性能且分子結(jié)構(gòu)中只含有碳?xì)溲醯姆N元素的R-BTP萃取劑，將其負(fù)載在多孔性二氧化硅和高分子聚合物的復(fù)合載體（SiO2-P）上，制成新型高性能R-BTP/SiO2-P吸附劑。考察吸附劑對MA與共存元素的分離性能，評價(jià)其化學(xué)及輻照穩(wěn)定性，并利用X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜（EXAFS）技術(shù)探究反應(yīng)機(jī)理，解明R-BTP對An(III)/Ln(III)的絡(luò)合反

3、應(yīng)選擇性與其分子結(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)系。最后，通過柱分離實(shí)驗(yàn)探討利用新型R-BTP/SiO2-P吸附劑從HLLW中分離MA工藝技術(shù)的可能性，為實(shí)現(xiàn)長壽命次錒系核素的分離-嬗變提供可靠的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。
　　1）采用批次吸附實(shí)驗(yàn)研究吸附劑對鑭系元素的吸附行為，主要考察了硝酸濃度、硝酸根濃度、接觸時(shí)間和溫度等因素對吸附劑選擇性的影響，實(shí)驗(yàn)表明：吸附劑對稀土元素的吸附能力隨著硝酸濃度的上升而增加，且呈現(xiàn)出Dy(III)>Gd(III)、Eu

4、(III)、Sm(III)>Y(III)、Nd(III)、Ce(III)、La(III)的選擇性吸附順序。對于這種規(guī)律，本文采用了 X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜技術(shù)在分子水平上進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)隨著Ln(III)原子序數(shù)的增加，R-r的結(jié)合距離逐漸減小，說明原子間有效鍵長在減小，作用力增加，所以造成了吸附劑對不同稀土元素的吸附力差異。最后，在使用Dy(III)作為模擬元素的研究過程中發(fā)現(xiàn)，吸附劑對次錒系元素的吸附機(jī)理可采用準(zhǔn)二級動力學(xué)方程及La

5、ngmuir等溫吸附模型來準(zhǔn)確擬合。
　　2）采用批次吸附實(shí)驗(yàn)研究吸附劑對高放廢液中主要存在的放射性核素241Am(III)、152Eu(III)、239Pu(IV)、99Tc(VII)、U(VI)等的吸附行為，分別探討硝酸濃度、硝酸根濃度對吸附的影響，研究發(fā)現(xiàn)：隨著酸度的增大，兩種吸附劑對241Am(III)和239Pu(IV)的吸附率逐漸增大，而對99Tc(VII)吸附率則逐漸降低。實(shí)驗(yàn)中吸附劑對U(VI)吸附較弱，且隨硝酸濃

6、度的變化不大，表明HLLW中殘留的U(VI)不會對次錒系核素的分離造成影響；在低酸條件下，隨著硝酸根濃度的增大，241Am(III)、239Pu(IV)和152Eu(III)在isoBu-BTP/SiO2-P上的吸附率明顯增加，不同核素之間的分離可以依靠分配系數(shù)差別大的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。而與isoBu-BTP/SiO2-P不同，isoHex-BTP/SiO2-P基本不吸附152Eu(III)、239Pu(IV)，且241Am(III)的分配系

7、數(shù)小于99Tc(VII)和U(VI)的分配系數(shù)。
　　3）采用60Co伽馬輻照源對吸附劑的化學(xué)及輻照穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，分別研究硝酸濃度、接觸時(shí)間及γ輻照劑量對吸附劑穩(wěn)定性可能帶來的影響。研究發(fā)現(xiàn)：無輻照情況下，isoBu-BTP/SiO2-P、isoHex-BTP/SiO2-P吸附劑在0.1M以下濃度硝酸溶液中表現(xiàn)出了良好的化學(xué)穩(wěn)定性，但隨著硝酸濃度的升高，水解作用加劇，會對吸附劑的吸附容量及離子選擇性造成負(fù)面影響。在輻照實(shí)驗(yàn)中，隨

8、著吸收劑量的增加，isoBu-BTP/SiO2-P在1M硝酸中迅速降解，當(dāng)吸收劑量達(dá)到69kGy時(shí)，吸附劑失效不再具備吸附能力；但在硝酸為0.01M，NaNO3濃度為0.99M的溶液中，即使吸附劑吸收劑量達(dá)到207kGy，isoBu-BTP/SiO2-P對241Am/152Eu的分離系數(shù)仍保持在99.9，與未經(jīng)輻照時(shí)相比變化不大，表明硝酸濃度較低時(shí)isoBu-BTP/SiO2-P吸附劑經(jīng)過長時(shí)間輻照依舊能夠保持原有的選擇吸附能力。iso

9、Hex-BTP/SiO2-P吸附劑同樣在0.01M硝酸中展現(xiàn)了良好的耐輻照穩(wěn)定性。但在2M以上硝酸溶液中吸收劑量超過46kGy后，吸附劑對模擬元素Dy(III)完全失去吸附能力，說明在高濃度硝酸溶液中isoHex-BTP/SiO2-P吸附劑同樣難以在輻照環(huán)境下長時(shí)間使用。
　　4）采用色譜柱實(shí)驗(yàn)對模擬高放廢液中次錒系核素241Am(III)進(jìn)行分離，結(jié)果表明：在25℃，流速為0.2mL/min條件下，使用isoBu-BTP/SiO