[发明专利]碳基超分子识别材料及其制备方法与吸附分离Cs的应用

说明书

本发明属于核燃料后处理技术领域，公开了一种碳基超分子识别材料及其制备方法与吸附分离Cs的应用，将聚合物聚合在毫米级大孔‑介孔碳球形成碳基载体，碳基载体中聚合物的质量百分数为0～10％；以碳基载体与杯[4]芳烃双冠‑6为原料，通过真空溶剂蒸发诱导自组装方法制备出碳基超分子识别材料，在碳基超分子识别材料中碳基载体的质量为杯[4]芳烃双冠‑6的0.5～40倍，所述的杯[4]芳烃‑双冠‑6结构式如(I)所示。本发明公开了碳基超分子识别材料在强酸溶液中结构保存完好，且对铯离子具有优异的吸附选择性；可应用于从强酸性高放废液中高选择性吸附分离铯。

技术领域

本发明属于核燃料后处理技术领域，尤其涉及一种碳基超分子识别材料及其制备方法与吸附分离Cs的应用。

背景技术

高放废液(High Level Liquid Waste，HLLW)的处理处置是核燃料后处理工程中的关键环节之一，也是一个世界性的难题，对核电的可持续发展具有重要意义。HLLW中含有大量强放射性核素，其中，¹³⁵Cs的半衰期长、易迁移，对环境的潜在危害较大；¹³⁷Cs虽半衰期短，但衰变过程中会释放大量热，是影响固化体安全处置最危险的元素之一。若能将其分离，不但能减少固化体的体积、缩短冷却时间和储存年限，还能简化地质处置工艺、节约成本。因此，如何安全高效的分离HLLW中的Cs(I)成为高放废液处理领域富有挑战的课题之一。目前，业内常用的现有技术是这样的：基于二烷氧基杯[4]芳烃-冠-6对Cs(I)良好的选择萃取特性提出CCCEX(Cesium Separation by Calix-Crown Extraction)流程；美国橡树岭国家实验室提出基于杯[4]芳烃-双(叔辛基苯并-冠-6)的CSSX(Caustic-Side Solvent-Extraction)流程；美国爱达荷国家实验室提出使用二叔丁基环己基-18-冠-6和杯[4]芳烃-双(叔辛基苯并-冠-6)同时萃取分离Cs(I)和Sr(II)的FPEX(Fission ProductExtraction)流程。以上溶剂萃取流程对Cs(I)具有高萃取容量和强选择性，存在如下不足：(1)高酸、强辐照环境中萃取剂、稀释剂和相修饰剂易水解和辐解，影响萃取效果，产生大量二次高放废液；(2)为了提高铯的分离系数，需多步萃取、洗涤和反萃，设备规模大，有机试剂使用量大。萃取色谱法属于固相萃取技术之一，具有设备紧凑、溶剂用量少、工艺简单等优点，成为溶剂萃取法的一种有效补充。如采用物理真空复合法将CMPO、HDEHP和Cyanex301负载到大孔二氧化硅-高分子复合载体(SiO₂-P)中，用于分离HLW中的Ln(III)、Am(III)和Cm(III)(Nucl.Technol.,2000,132:1472-1475)。再如采用相同的方法分别将HexylCalix[4]、CalixBNapC6和BiPCalix[4]C6负载到SiO₂-P中，制备硅基超分子识别材料，并提出PCEC(Partitioning of Cesium by ExtractionChromatography)萃取色谱分离流程，其对Cs(I)的最佳吸附酸度为3.0M，分配系数分别达到41.37cm³·g^-1、18.01cm³·g^-1和59.43cm³·g^-1(Sep.Purif.Technol.,2016,171:17-25,Chem.Eng.J.,2010,159:58-66,Solvent Extr.Ion Exc.,2010,28:526-542)，存在如下不足：(1)载体SiO₂-P不耐碱，不适用于处理碱性高放废液；(2)载体SiO₂-P含聚合物和有机修饰剂，杯芳冠醚负载量有限，耐辐照性能较差；(3)硅基超分子材料粒径小(40-60μm)，高放废液流经色谱柱时柱压较大。