新型二甘醇四酰胺的合成及其在常规溶剂中萃取铀酰离子、钍离子的研究

新型二甘醇四酰胺的合成及其在常规溶剂中萃取铀酰离子、钍离子的研究

研究新型萃取剂从硝酸介质中萃取分离铀钍元素对改进乏燃料后处理工艺，推动核电技术的发展具有重要意义。酰胺类萃取剂易合成、耐辐射、不易水解、无污染，被认为是能应用于核燃料后处理领域的重要萃取剂。本研究中，我们以二甘醇酸酐为原料，合成9种多位点的二甘醇四酰胺，对其进行了结构表征。研究了它们对硝酸介质中U(VI)、Th(IV)的萃取行为，重点考察了体系酸度、稀释剂种类、萃取剂结构和浓度对萃取效果的影响，分析了其萃取机理，并将其萃取分离效果与常规铀钍萃取剂TODGA进行了对比。研究表明：在高酸度下，二甲苯稀释剂中，C4(-C2H5)萃取剂的萃取效果最好，且具有很高的铀钍分离系数。

关键词：二甘醇四酰胺；合成；萃取分离效果；U(VI)、Th(IV

一、前言

1.1研究背景

随着全球经济的飞速发展以及对能源需求的持续扩展，化石燃料作为不可再生资源，将很快被我们消耗殆尽，能源危机已然迫在眉睫，人们迫切需要寻找一种替代能源。核能作为一种经济、安全、可靠、清洁的新能源，其独特的优越性和重要性已越来越被认识，核能的发展也越来越受到重视，目前我国核电的发展已进入了一个新阶段。但与此同时，核能的开发利用过程中会产生大量的放射性废物，如何持续、安全、经济地利用核能，安全有效地处理这些高放废液，已成为保证核能长远发展、解决当下及很长一段时间内能源危机的关键问题。

核燃料循环是核工业体系中的重要组成部分。其中乏燃料中包含有大量的放射性元素，许多放射性物质的放射性将持续数千年，并且在土壤、水体中发生浓缩，对人类健康和环境保护造成极大的危害[1]。因此，乏燃料后处理是核工业中实现核燃料循环的不可缺少的环节。为了确保核能的可持续发展，必须建设一个独立、完整和先进的核燃料循环工业体系，寻求更加优化的乏燃料后处理工艺。

溶剂萃取（液-液萃取）具有分离效率好、试剂耗量少、能耗低、溶剂易于复生再用等优点，被认为是乏燃料后处理中一种很有效的分离方法[2]。早在1954年，磷酸三丁酯（TBP）就在核燃料后处理领域得到了广泛应用[3]，但TBP含有磷元素，不能完全燃尽而污染环境，且受热或受辐射后容易发生部分降解，干扰正常萃取过程。为了寻找安全环保的萃取方法，近年来的研究主要集中在工艺流程的改进和新萃取剂的研制发面，其中酰胺类萃取剂的研究取得了较大进展,被认为是核燃料后处理领域最具有潜在价值的一类萃取剂。

1.2酰胺类萃取剂国内外研究进展

酰胺类萃取剂含有强极性的C=O基，它们与含磷萃取剂一样，对金属离子有较强的萃取能力。相比于含磷萃取剂，这类萃取剂合成简便，不易水解，耐辐照，在处理过程中生成的降解产物（羧酸和仲胺）亦不影响萃取过程，且分子中不含有磷原子，所以能完全燃烧无固体产物，有望取代TBP成为处理核燃料的新型绿色环境友好型萃取剂，具有很大的发展前景[4]。

近年来，国内外在研究酰胺类萃取剂方面取得了较大进展。研究较多的酰胺类化合物包括N,N-双取代酰胺类萃取剂（单酰胺）、N,N,N’,N’-四取代双酰胺类萃取剂（双酰胺）、环状酰胺类萃取剂。其中对双环酰胺的研究还处于初级的摸索阶段，仅有少量相关的文献报道[5]。而较之于单酰胺，双酰胺类萃取剂由于

有两个功能基团，可以通过设计各个取代基和相应双官能团间的距离，得到拟定的萃取剂；这些萃取剂萃取能力强，选择性好，因而受到了特别的关注[6]。

双酰胺包括N,N,N’,N’-四取代双酰胺烷基类萃取剂和N,N,N’,N’-四取代双酰胺荚醚类萃取剂。自1978年Norbert合成了一系列酰胺荚醚类化合物以来，中国原子能科学研究院、四川大学等研究发现与普通双酰胺类萃取剂相比较，双酰胺荚醚类萃取剂有更多的优点和更好的萃取性能[7]。这是因为四取代双酰胺夹醚类萃取剂共振结构和桥撑链-(CH2OCH2)-的存在，羰基氧上的负电性增加了氧原子的给电子能力,烷氧原子的氧有孤对电子,可以参与成键,同时烷基的活动性能较大,在空间构型允许的情况下醚氧原子也可参与成键，即荚醚可以尽可能克服空间位阻的影响与金属离子配位[8]。从而使该类萃合物的稳定性增加，化学分解性和辐射分解性降低，萃取效率及萃取分离性能提高。

综上所述,酰胺类萃取剂对锕系元素具有很好的萃取效果,且酰胺的种类和结构是制约萃取锕系元素能力的最主要因素。因此,在此双酰胺夹醚类基础上，还有待于我们进一步寻找一种更为理想的新型酰胺类萃取剂。

1.3研究目的及意义

乏燃料后处理是核工业中实现核燃料循环的重要环节[9]，由于其主要依赖萃取方法,持续研究和开发新的萃取剂一直是放射化学工作者的重要工作，对促进核工业的快速发展具有重要意义。

本研究中，我们以二甘醇酸酐为原料，通过衍生化合成出多位点的二甘醇四酰胺，并从稀释剂的影响、硝酸浓度的影响、萃取剂种类等各个方面来探究该二甘醇四酰胺萃取剂对铀酰离子、钍离子的萃取行为，利用斜率法研究了其萃取机理。最后总结规律，提出此酰胺萃取剂的新理论及应用前景。

研究中合成的二甘醇四酰胺萃取剂与前面研究的双酰胺夹醚类萃取剂相比，有更多的萃取位点，保证了更好的萃取效果，且绿色无污染，对改进乏燃料后处理工艺及推动核电技术的快速可持续发展具有巨大的理论和现实意义。

二、萃取剂的合成与表征

2.1仪器与试剂

2.1.1实验仪器

表2.1本章所用实验仪器汇总表

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2.1.2实验试剂

表2.2 本章所用实验试剂汇总表

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