一种从铀和稀土的混合溶液中富集铀的方法与流程

1.本发明涉及金属分离提纯技术领域，具体涉及一种从铀和稀土的混合溶液中富集铀的方法。


背景技术：

2.为了掌握核燃料照射前后的原子变化和产生的能量等，以便对反应堆进行控制，从60年代起就开始了核燃料燃耗的研究。燃耗测量可用于分析反应堆的各种物理参数，为提高堆的运行效率、同位素的产量和质量等提供了一种可靠的手段。燃耗测量的关键问题是测量铀-235、钚-239等易裂变重核及选择能代表实际燃耗深度的裂变产物。国际上通常把此有代表性的裂变产物称为燃耗检测体。燃烧的核燃料中大约96％的质量是未反应的铀，大约1％的质量是钚，剩下的3％是各种裂变产物。易于迁移的裂变产物显然不适合做燃耗检测体，已确定在照射时锆和稀土是相对于铀和钚唯一不迁移的主要裂变产物，但是锆一般是核燃料的基体，无法准确测量其裂变产物，因此，一般选用稀土元素作为燃耗检测体。由于铀的含量相对于稀土含量非常高，直接测量导致放射性射线互相干扰，无法准确定量，燃耗测量需要先对铀和稀土进行分离，然后通过同位素稀释以及热电离质谱法等对铀和稀土同位素的含量分别进行测量。
3.从天然铀矿石中提取出的核燃料铀，通过酸法或碱法浸出、湿法冶金、精制、同位素分离等一系列生产过程，最终制成核燃料原件或军用核产品。铀矿石和多种稀土杂质元素共生存在，存在于核燃料中的稀土元素对中子的吸收会造成中子损耗，影响
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u裂变链式反应的中子平衡，因此最大限度地降低核燃料中稀土杂质元素的含量是减少中子损耗而节省铀资源的重要途径之一。反应堆使用的核燃料的纯度必须达到核纯级，即吸收中子的稀土杂质元素的含量必须限制在一定水平之下。
4.乏燃料后处理是核燃料循环后段中最关键的一个环节，它包括对反应堆辐照以后的乏燃料元件进行铀钚分离的后处理，以及对放射性废物处理、贮存和处置。首先，乏燃料后处理可提高铀资源利用率，解决核燃料资源不足的问题。其次，乏燃料后处理的分离-嬗变，可减少核废料量及优化废物管理。在核电大发展背景下，我国核电站卸出的乏燃料数量在不断增长，大部分核电站的在堆贮存水池容量已经超负荷。对于乏燃料，国际上的处理方法是对乏燃料进行后处理，回收其中的铀和钚，再加工成燃料组件进行重复利用，称为“闭式核燃料循环”。我国较依赖国外“闭式核燃料循环”技术。
5.无论是准确测量核燃料燃耗，还是降低核燃料中稀土杂质元素的含量，或是乏燃料的后处理技术，这些技术都离不开稀土和铀的分离与铀的富集。文献上曾报道不经化学分离而利用铀和稀土物理性质的不同实现二者的分离，常用的经典方法是载体分馏法和蒸馏法，但这两种方法对那些形成不易挥发或难溶样品的元素的灵敏度很差，因此最好将铀和稀土进行化学分离，即利用铀与稀土杂质元素间化学性质的不同实现两者的分离。在核工业中广泛采用的铀与稀土元素分离的方法主要有沉淀法、溶剂萃取法和萃取色谱法。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的问题是：提供一种从铀和稀土混合溶液中富集铀的方法，操作简单，能快速实现铀和稀土的分离，且选择性高，最终能富集得到纯度高达99.9％以上的铀。
7.本发明为解决上述问题所提供的技术方案为：一种从铀和稀土混合溶液中富集铀的方法，所述方法包括
8.将稀土离子和铀的混合样品加入到特定溶剂中，其中，铀在溶液中以铀酰根离子(uo
22+
)的形式存在；
9.然后将以上溶液加载到装有吸附剂的柱子中；
10.先用淋洗剂冲洗柱子分离出稀土元素；
11.最后用洗脱剂冲洗柱子得到铀酰根。
12.优选的，所述的分离过程为动态吸附，即固相萃取模式。
13.优选的，所述的混合样品中铀和其它稀土离子的质量比为1000/1～1/1000。
14.优选的，所述的吸附剂是疏水多孔树脂材料。
15.优选的，所述的疏水多孔树脂材料是由疏水单体和亲水单体聚合而成；所述的疏水单体与亲水单体的体积比为1/2～5/2；所述的疏水单体为二乙烯苯、苯乙烯、乙烯基三甲氧基硅烷、全氟聚醚中的一种或多种组合而成；所述的亲水单体为n-乙烯基吡咯烷酮、聚乙二醇、吡啶、1-乙烯基咪唑中的一种或多种组合而成。
16.优选的，所述的吸附剂的孔径大小为；颗粒大小为10～300μm；比表面积大小为50～1000m2/g。
17.优选的，所述的特定溶剂和淋洗剂为乙二胺四乙酸、二乙烯三胺五乙酸、α-羟基异丁酸、2-羟基-2-甲基丁酸、乳酸、柠檬酸、氨三乙酸、二甘醇酸等中的一种或多种组合而成。
18.优选的，所述的特定溶剂和淋洗剂浓度为50～1000mm，ph为2.0～8.0。
19.优选的，所述的洗脱剂为酸；所述的酸为硝酸、盐酸、硫酸、磷酸等中的一种或多种组合。
20.优选的，所述的酸的浓度为0.1～12m。
21.与现有技术相比，本发明的优点是：
22.1、高选择性。本发明专注于解决稀土和铀的分离，铀和稀土的分离效率高，本发明采用简单的柱色谱分离方法，最终得到的铀的收率和纯度高。
23.2、高重复性。在误差允许的范围内重复性很好。
24.3、工艺简单。分离工艺简单，可操作性强。
附图说明
25.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
26.图1为实施例1用离子色谱测试uo
22+
和4种轻稀土的色谱图。
27.图2为实施例2用离子色谱测试uo
22+
和4种重稀土的色谱图。
28.图3为实施例3用离子色谱测试uo
22+
和八种稀土(la,sm，eu，gd，tb，dy，ho，lu)的色谱图。
29.图4为发明实施例提供的固相萃取装置图。
具体实施方式
30.以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
31.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
32.还应当理解，在此本发明实施例说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明实施例。如在本发明实施例说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
33.实施例1
34.采用固相萃取装置(图4)，用多孔疏水树脂材料分离铀和四种轻稀土la，ce，pr，nd的混合物。
35.a)、原液(上样液)：将uo
22+
(浓度为800ppm)和四种轻稀土(la、ce、pr、nd浓度各为80ppm)混合物溶于400mm，ph＝5.5的hiba溶液。
36.b)、装柱：将填料装柱，柱床尺寸为1.58*2cm，柱体积约为4ml。
37.c)、活化：用100％甲醇活化，所用体积3bv；再用纯水活化，所用体积3bv。
38.d)、平衡：用400mm的hiba(ph＝5.5)溶液冲洗柱子，所用体积3bv。
39.e)、上样：用原液(上样液)冲洗柱子，所用体积1bv，收集1管流出液。
40.f)、淋洗：用100mm的hiba(ph＝5.5)冲洗柱子，淋洗2bv，收集2管淋洗液。
41.g)、洗脱：用1mol/l的盐酸冲洗柱子，洗脱2bv，收集2管洗脱液。
42.如图1和表1所示，在400mm，ph＝5.5的α-羟基异丁酸(hiba)水溶液溶解样品的条件下，铀酰根(uo
22+
)可以完全被吸附在多孔疏水树脂材料上(》99.7％)，大部分轻稀土被填料吸附，小部分稀土随溶液流穿。100mm的hiba(ph＝5.5)水溶液可以将稀土完全淋洗下来，其中小部分的uo
22+
被淋洗下来。盐酸则将大部分铀酰根洗脱出来，回收率超过90％，且稀土的含量甚微，铀的纯度大于99.9％。
43.表1
[0044][0045]
实施例2
[0046]
采用固相萃取装置，用多孔疏水树脂材料分离铀和四种重稀土lu，yb，tm，er的混合物。
[0047]
a)、原液(上样液)：将uo
22+
(浓度为800ppm)和四种重稀土(lu、yb、tm、er浓度各为80ppm)混合物溶于400mm，ph＝5.5的hiba溶液。
[0048]
b)、装柱：将填料装柱，柱床尺寸为1.58*2cm，柱体积约为4ml。
[0049]
c)、活化：用100％甲醇活化，所用体积3bv；再用纯水活化，所用体积3bv。
[0050]
d)、平衡：用400mm的hiba(ph＝5.5)溶液冲洗柱子，所用体积3bv。
[0051]
e)、上样：用原液(上样液)冲洗柱子，所用体积1bv，收集1管流出液。
[0052]
f)、淋洗：用100mm的hiba(ph＝5.5)冲洗柱子，淋洗2bv，收集2管淋洗液。
[0053]
g)、洗脱：用1mol/l的盐酸冲洗柱子，洗脱2bv，收集2管洗脱液。
[0054]
如图2和表2所示，在400mm，ph＝5.5的hiba溶液溶解样品的条件下，铀酰根(uo
22+
)可以完全被吸附在多孔疏水树脂材料上，大部分重稀土也被填料吸附，少部分随溶剂流出并被检测到。随后用100mm的hiba(ph＝5.5)可以将稀土从柱子上完全淋洗下来，而uo
22+
不能被淋洗下来。盐酸将大部分铀酰根洗脱出来，回收率超过90％，纯度大于99％。
[0055]
表2
[0056][0057]
实施例3
[0058]
采用固相萃取装置，用多孔疏水树脂材料分离铀和八个稀土la，sm，eu，gd，tb，dy，ho，lu。
[0059]
a)、原液(上样液)是800ppmuo
22+
和80ppm的la，sm，eu，gd，tb，dy，ho，lu溶于400mm，ph＝5.5的hiba溶液中。
[0060]
b)、装柱：将ps-nvp填料装柱，柱床尺寸为1.58*2cm，柱体积约为4ml。
[0061]
c)、活化：用100％甲醇活化，所用体积3bv；再用纯水活化，所用体积3bv。
[0062]
d)、平衡：用400mm的hiba(ph＝5.5)溶液冲洗柱子，所用体积3bv。
[0063]
e)、上样：用已知浓度的原液(上样液)冲洗柱子，所用体积1bv，收集1管流出液。
[0064]
f)、淋洗：用100mm的hiba(ph＝5.5)冲洗柱子，淋洗3bv，收集3管淋洗液。
[0065]
g)、洗脱：用1mol/l的盐酸冲洗柱子，洗脱2bv，收集1管洗脱液。
[0066]
如图3和表3所示，在本实施例中，选取了八个稀土元素la，sm，eu，gd，tb，dy，ho，lu，用多孔疏水树脂填料柱来分离这八个稀土元素和铀酰根的混合物。测试结果表明，uo
22+
可以完全被吸附在填料上，流出液中检测到极少部分稀土。淋洗液可以将稀土从柱子上完全淋洗下来，但是uo
22+
不能被淋洗下来。盐酸将大部分铀酰根洗脱出来，回收率超过97％，且稀土的含量很低，铀的纯度大于99％。
[0067]
表3
[0068][0069]
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化。凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明保护范围内。