一种基于超分子自组装的溶液中金属离子分离方法与流程

本发明属于溶液中金属离子的分离技术领域，具体涉及一种基于超分子自组装的溶液中金属离子分离方法。

背景技术：

溶液中金属离子的分离与提取，在乏燃料后处理、含重金属废水处理、金属矿采等领域有重大技术价值。以乏燃料后处理为例，乏燃料后处理的重要目标是实现核资源的回收利用、降低高放废物毒性与处置体积，以及解决循环自身带来的放射性废物和环境安全压力等关键问题。以上目标主要通过将乏燃料溶液中铀等不同金属离子分离提取回收来实现，而化学分离方法的研究与应用则是其中的核心内涵。

现阶段，溶液中分离金属离子的主要方法有溶剂萃取法、沉淀法、离子交换法、电解还原法、低温结晶法、超临界萃取法等。但这些方法在成熟度、经济性、废物管理以及安全保障等方面各有利弊。如溶剂萃取流程复杂、需要反萃、浓缩等进一步处理，易产生大量有机废液；沉淀法适应性不强、操作强度大、对金属离子选择性不高；离子交换法会产生大量废液；电解还原法会加分离过程的复杂程度，体系高酸环境会导致材料腐蚀等问题；超临界萃取法操作压力高(15-30mpa)，装置开发以及安全操作都有待进一步解决，实用性尚需进一步的研究。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述技术问题，而提供一种基于超分子自组装的溶液中金属离子分离方法。本发明方法是基于超分子自组装原理实现了金属离子的快速分离，该方法不仅具备简便、高效、安全、环保的分离特点，同时还能对多种金属离子同时适用，均能获得较好的分离效果。

为了实现上述目的，本发明的一种基于超分子自组装的溶液中金属离子分离方法，包括以下步骤：

(1)准备分离体系，所述分离体系由对金属离子具有螯合作用的配体以及功能化溶剂组成；

(2)将分离体系与金属离子溶液混合，溶液中的金属离子与分离体系中的配体形成金属离子-配体的螯合物或配合物；

(3)步骤(2)所述螯合物或配合物在分离体系中组装成介观尺度聚合物；

(4)步骤(3)的介观尺度聚合物，在自组装驱动力的作用下，在分离体系界面处形成具有宏观尺度的含金属离子小球，采用常规方法分离获得含金属离子小球。

进一步的是，所述配体包括辛基(苯基)-n,n-二异丁基胺甲酰基甲基氧化膦(cmpo)、todga、tbp、hdehp、tbpo和tppo中的至少一种。

进一步的是，所述功能化溶剂包括1-羟乙基-3-甲基咪唑双三氟甲烷磺酰亚胺盐([hemim][ntf2])、不同碳链长度的羟基离子液体(cnohmimntf2)和氨基功能化离子液体中的至少一种。

进一步的是，所述金属离子包括铀、金、铜、铁、锰、铅、钒、锌和铝。

进一步的是，步骤(1)中在混合前先将所述功能化溶剂采用酸性溶液进行平衡24h。

进一步的是，所述酸性溶液包括硝酸或盐酸，所述酸的浓度为0.1～1m。

进一步的是，步骤(1)中所述分离体系的浓度为30mm。

进一步的是，步骤(1)中所述金属离子采用酸进行溶解，所述金属离子的浓度为5mm。

进一步的是，所述酸包括硝酸或盐酸，所述酸的浓度为0.1～1m。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明的分离方法产生有机废液量少，其操作强度低，分离过程简单；

(2)本发明基于超分子自组装的溶液中金属离子分离方法，具备简便、高效、安全、环保的分离特点；

(3)本发明采用的分离体系及分离方法能对多种金属离子同时适用，均能获得较好的分离效果。

附图说明

图1为本发明的超分子自组装分离方法分离机理示意图；

图2为msa分离法分离溶液中的金属铀离子过程图；

图3为本发明的超分子自组装方法分离不同金属离子的结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是，以下实施例仅仅用于对本发明进行解释和说明，并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

以分离溶液中的金属铀离子为目标，本发明基于超分子自组装的分离方法如下：

1、选取1-羟乙基-3-甲基咪唑双三氟甲烷磺酰亚胺盐([hemim][ntf2])离子液体作为功能化溶剂，选取辛基(苯基)-n,n-二异丁基胺甲酰基甲基氧化膦(cmpo)作为对铀离子具有螯合作用的配体；

2、[hemim][ntf2]在使用前与1m硝酸溶液平衡；

3、电子天平准确称量一定质量的cmpo配体、溶于[hemim][ntf2]离子液体中，容量瓶定容，配置成30mmol/l的cmpo/[hemim][ntf2]溶液；

4、电子天平准确称量一定质量的硝酸铀酰，加入1m硝酸溶液中，配置成5mmol/l的铀酰离子溶液；

5、将2ml、30mm的cmpo/[hemim][ntf2]溶液加入2ml上述硝酸铀酰溶液中，室温下静置；

6、体系中金属铀离子—cmpo的配合物在超分子自组装推动力的作用下，不断的向界面中间聚集，并进一步组装成一颗富铀固体小球。随着分离过程的进行，该固体小球不断长大。待分离过程完成，富铀固体小球可以用简便的方法从体系中分离。

上述基于超分子自组装分离方法的分离机理见图1，采用超分子自组装分离方法分离溶液中的金属铀离子的过程见图2。

实施例2

以分离溶液中的cu、fe、mn、pb、v、zn、al离子为目标，本发明基于超分子自组装的分离方法如下：

1、选取[hemim][ntf2]离子液体作为功能溶剂，选取cmpo作为对金属离子具有螯合作用的配体；

2、[hemim][ntf2]在使用前与0.1mol/lhcl溶液平衡24h，分离待用；

3、电子天平准确称量一定质量的cmpo配体、溶于[hemim][ntf2]离子液体中，容量瓶定容，配置成30mmol/l的cmpo/[hemim][ntf2]溶液；

4、电子天平分别称取一定质量的cucl2·6h2o、fecl3·6h2o、mncl2·4h2o、pbcl2、vcl3、zncl2、alcl3，溶于0.1mol/l盐酸中，容量瓶定容，配置成一系列的5mmol/l的金属离子/盐酸溶液；

5、分别将2ml、30mm的cmpo/[hemim][ntf2]溶液加入一系列的2ml上述金属离子溶液中，室温下静置；

6、体系中金属离子—cmpo的配合物在超分子自组装推动力的作用下，不断的向界面中间聚集，并进一步组装成一颗富含金属离子的固体小球。随着分离过程的进行，固体小球不断长大。待分离过程完成，固体小球可以用简便的方法从体系中分离。

上述方法分离得到的不同金属离子见图3，图3中的金属离子分别代表如下：a：铁，b：铜，c：锌，d：金，e：锰，f：铅，g：钒，h：铝。