[发明专利]用于提取放射性核素以及用于分离锕系元素和镧系元素的碳纳米管衍生物

说明书

交叉引用

本申请声明要求2007年10月9日提交的申请号为60/998,005以及2007年10月12日提交的申请号为60/998,872的美国临时申请的优先权，并在此全文引用。

技术领域

本发明公开了一种功能化的碳纳米管材料的制备方法和其从有机相和/或水相中提取放射性核素、锕系和镧系元素的方法。功能化碳纳米管上的有机萃取基团包括：含磷有机萃取基团[如磷氧化物(phosphine oxides)、磷酸(phosphoric acids)或磷酸盐(phosphates)]，以及其它有机萃取基团，如冠醚(crown ethers)、杯芳烃冠醚衍生物(calixcrown derivatives)、丙二酰胺衍生物(malonamide derivatives)、二甘醇胺衍生物(diglycolamide derivatives)、聚乙二醇衍生物、钴二碳硼衍生物(cobalt dicarbollide derivatives)和氮杂环配体(N-donating heterocyclic ligands)。有机萃取基团是以共价键或非共价键的形式链接到碳纳米管上，有机萃取功能基团修饰的碳纳米管可用来从有机相和水相中提取放射性核素。本发明的功能化碳纳米管可从核废料、核电站的废核料或其它应用目的核废料中提取放射性核素。本发明还涉及到使用功能化碳纳米管对放射性核废料进行固液分离的工艺和过程。

背景技术

铀是最宝贵的能源材料。与1公斤的燃煤只产生约25兆焦耳的热值比较，1公斤的铀可以生成大约500000兆焦耳的热值。目前，发达国家和发展中国家极大地依靠核电厂的电力供应，如美国，全部电力供应中核能电力供应为大约20％。在随着石油和煤燃料的日益短缺和全球气候变暖的背景下，扩大利用核裂变和发展可持续能源是保证能源安全和能源独立的有力解决方案。

核电厂发电过程中产生的有害的放射性核素包括超铀元素与极长寿命同位素，放射性铯和锶，锕系元素，稀土元素，镧系元素等。很显然，为了避免建筑永久的核废料保存仓库，需要对放射性废物中的有害放射性核素进行提取和分离。比如，美国并没有对核废料进行大规模提取和分离，大部分核废料存储在特别的水池或核电站反应堆附近。在美国的汉福(Hanford)积累大约53000000加仑的核废料。但是，还是有许多国家使用普来克斯(PUREX)工艺和优来克斯(UNEX)工艺对核废料进行专门处理来分离有害及有用的放射性核素。世界上最大的核废料再处理工厂是位于法国那·阿格，每年对大约1700吨的核废料进行了处理。在英国、日本、俄罗斯和中国等国家也进行核废料再处理加工。

放射性废物可分为高、中和低浓度的核废料。在存储或再利用高浓度核废料(即裂变产物和铀后元素)之前，必须设法消除有害的放射性同位素核素。

由于锕系元素、镧系元素、⁹⁰锶和¹³⁷铯有太长的半衰期，在美国，这些高放射性核废料可能会被长期贮存地质层深处(例如尤卡山)。开发实用而有效的核废料分离和处理技术是为了减少放射性核素对人类的影响。显然，为了尽量减少废物的体积，当务之急是开发萃取剂、酸性配体来提高提取效率、选择性和在盐溶液与放射性元素的配位能力。

利用有机含磷配体(CMPO，octyl phenyl N，N-diisobutyl carbamoylmethyl phosphine oxide)，邱克斯(TRUEX)液-液萃取法已经应用于从核废料中提取镧系和锕系元素(US4548790/1985)。

通过普来克斯(PUREX)过程的液-液萃取法可从使用过的核燃料中提取钚和铀。有机萃取剂(30％磷酸三丁酯溶解在煤油，美国专利US4574072/1986)可把钚和铀从酸性水溶液转移到有机相中。

烷基功能化的磷酸衍生物也可配位锕系元素和镧系元素(Ionova et al.，New J.Chem.，2001，25，491-501)。

当使用只包含CHNO(碳，氢，氮和氧)元素的配体处理核废料时，其产物可以直接用燃烧的方法来处理，避免了二次污染。目前，戴尔莫可斯(DIAMEX)过程(Sep.Sci.Techol.，2007，42，439-452)使用丙二酰胺衍生物(N，N’-dimethyl N，N’-dibutyl tetradecylmalonamide)作为萃取剂来分离核废料锕系元素和镧系元素。除了无二次污染外，丙二酰胺衍生物也被证实有非常出色的金属配位效率。