磷酸三丁酯/溶剂诱导分相技术萃取铀酰离子的研究

尹春筱

(东华理工大学，江西 南昌 330013)

1 我国铀矿资源

铀资源是重要的战略矿产资源和能源的基本原料在中国的核工业发展中[1]。中国丰富的铀资源已确定主要分布在全国的23个省，直辖市和自治区地区内。最新统计，全国已探明铀矿床规模状况为：大型及以上的个数占总数的8.7%，含量占约58%；中等个数占20.3%，储量占23.8%；小型个数71%，占总储量的18.2%。品位≧0.3%的储量仅占3.3%，低于平均品位矿床(矿床平均品位0.3%)占96.7%，火山岩型、花岗岩型铀矿石型品味比较高[2]。

1.1 铀的危害

废水中的铀主要来源于铀矿开采、核反应堆和核工业等领域的再加工。其中，铀矿开采工艺处理过程中，产生的大量废水是主要污染源之一。传统工艺加工铀矿石的采集、破碎浸出、萃取和浓缩铀，湿法得到的产品进行高温干燥，化学处理，转化为六氟化铀，以铀-235进一步提高后形成坚硬的陶瓷氧化物(UO2)和所有类型的反应堆设计的棒状结构[3]。在这一系列的生产过程中会产生不同浓度和不同PH值的含铀废水的环境。在含重金属离子废水和许多放射性元素铀的存在，在酸性废水环境中的铀在主要铀酰离子的形式[4]。因为有隐藏的危险铀矿线，潜在的和累积的，普通人难以检测到无法采取有效的保护措施[5]。

1.2 铀污染处理

1.2.1 吸附法

原理：通过特定的结构的对铀酰离子有固化效果的吸附剂用以吸附铀酰离子，以达到分离除铀的目的。常用材料和装置：天然矿物、天然有机物、碳材料、合成高分子[6]。

1.2.2 离子交换法

原理：铀酰离子与对铀酰离子有亲和力的树脂发生离子交换过程从而被树脂固定。常用材料和装置：阴离子、阳离子树脂。1973年德国化学家——迈耶[7]首先合成TBP萃淋树脂(CL-TBP)。它的外观与一般圆球状的离子交换树脂大致相同。它的活性部分为萃取剂。其主要应用性能是由共聚物中所含萃取剂的选择性决定的。萃淋树脂用作萃取色谱的固定相，具有萃取剂流失少、柱负载量高、传质性能好、易于合成、使用方便等优点[8-10]。

1.2.3 萃取法

原理：利用铀酰离子在特定的溶剂中溶解度高于水对铀酰离子进行萃取。常用材料和装置：磷酸三丁酯TBP，TOPO离子液体等。1999年，日本科学家高桥淳，植木康夫等，用均相液-液萃取法去萃取醋酸水溶液中的铀(Ⅵ)。自外来金属离子的影响被加入EDTA的除去，因此该方法被广泛的用于各种工业或环境工作中[11]。2004年，铀(Ⅵ)的萃取技术再次得以进步，人们发现使用Tri-n-octylphosphine Oxide(TOPO)和磷酸三丁酯(TBP)可以用于均相液-液萃取溶液的铀(Ⅵ)[12]。

1.3 萃取

1.3.1 萃取简介

萃取就是利用不同物质在选定溶剂中溶解度的不同以分离混合物中的组分的方法。萃取按分离的对象不同可分为液-液萃取和固体萃取两种。

1.3.2 均相液-液萃取(HLLE)进展

1971年，Katsuo Murata，Yu Yokoyama，和Shigero Ikeda等人采用均相液-液萃取方法，用碳酸丙烯酯萃取铁(III)-噻吩甲酰三氟丙酮，是由丙烯碳酸酯形成的新的均相液体-液体萃取法设计的，其特点是在所述复合物立即形成实现在高温下的单一均匀的液相，两种截然不同却可分离阶段出现在冷却到室温[13]。2005年，A.R.Ghiasvand，E.Mohagheghzadeh，S.Shadabi和 P.Hashemi为选择性的分离和富集超痕量的钼使用了均相液-液萃取技术，均相液-液萃取能够在均匀的溶液中分离的现象，使它有可能迅速和有力地集中分析物。该方法简单，选择性敏感。可以成功适用于分离、富集和测定不同实际样品中的钼[14]。2009年，Mohammad.Reza.Jamali，Yaghoub Assadi，Reyhaneh Rahnama Kozani和Farzaneh Shemirani为选择性分离和富集的微量钯使用了均相液-液萃取方法。这是一个简单而有效的均相液-液萃取法，选择性分离，富集和分光光度法测定钯(II)离子是通过使用一个三元组分系统(水/四丁基铵离子/氯仿)相分离现象。所提出的方法可以应用于环境和其他或具有钯含量比的方法的检测限高的其他样品[15]。

2013年，Tom Vander Hoogerstraete，Bieke Onghena and Koen Binnemans研究了稀土与甜菜碱-甜菜碱双(三氟甲基磺酰)亚胺离子在溶液系统中的均相液体-液体萃取方法。均相液-液萃取是一种新型、高效、节能的萃取技术用于离子的提取。2015年，Shotaro Saito，Osamu Ohno，Shukuro Igarashi，Takeshi Kato和Hitoshi Yamaguchi 采用均相液-液萃取法分离和回收稀土元素。用于使用的Zonyl FSA金属元素的均相液-液萃取法，含氟表面活性剂代替螯合剂中提出的。其结果是，金属元素如钯，铂和稀土元素以非常高的百分比萃取[16]。

1.4 课题研究背景

能源是国民经济发展的基础，新能源的开发和利用是我国经济发展的重大战略问题。世界一直在寻找高效，清洁能源。对关于保护环境这是可取的，以减少温室气体排放和减少化石燃料的气候影响，在满足社会发展需求的同时。在政府的未来计划中，核能是经常被提及的[17]。中国“五个第十二年计划”提出建设资源节约型，环境友好型社会，核电，因此受到广泛关注。目前，我国面临严重的雾霾污染，主要原因是形成煤炭发电，空气污染已成为区域社会和经济发展的严重瓶颈[18]。环保核电相比于煤炭发电优点是：核电不直接产生雾霾，二氧化硫，氮，不产生温室气体二氧化碳，产生放射性废物的将处理归档和不释放到环境中，其经济性是：核燃料比煤高出大约百万倍的能量密度[19]。随着核能发电不断发展，铀燃料的供给需求日趋迫切，铀矿开采和利用成为热门课题被广泛深入的研究[20]。

2 实验部分

2.1.1 铀酰标准溶液

配置10mg/ml标准溶液具体步骤为：准确称取基准物八氧化三铀11.790g与100ml烧杯中，加(1+1)盐酸20ml、过氧化氢1ml，盖上表面皿。在加热板上加热，等到溶液微沸至近干，这样可以使过氧化氢彻底分解。再加(1+1)盐酸10ml。再对溶液进行稍微加热至温热，用去离子水洗涤表面皿与烧杯内壁，然后倒入1000ml容量瓶中，重复洗涤两单三次，加去离子水稀释至刻度线，塞紧瓶塞后，上下翻转以混合充分。

2.1.2 偶氮胂(Ⅲ)溶液

偶氮胂Ⅲ溶液的配置有以下三个步骤：第一步，用电子天平准确称取0.5g偶氮胂Ⅲ，然后倒入500ml烧杯中；第二步，用蒸馏水充分溶解后，用玻璃棒引流转入1000ml容量瓶中，用蒸馏水洗涤玻璃棒及烧杯两到三次，也倒入容量瓶中；第三步，用去蒸馏水稀释至刻度线。通过以上三个步骤配制的溶液即为0.5g/L偶氮胂溶液。

2.1.3 缓冲溶液

本实验所用的缓冲溶液为0.5mol/L氯代乙酸溶液与乙酸钠溶液的混合液，配制缓冲溶液有以下步骤：在0.5mol/L氯代乙酸溶液中加入5mol/L的乙酸钠溶液用来调节溶液的pH值，调节pH值至2.5±0.1，既得到实验所需缓冲溶液。两者的体积比约为10：3。

2.1.4 其它溶液

①2，4-二硝基苯酚溶液

配制2，4-二硝基苯酚有以下两个步骤：第一步，用电子天平准确称取0.1g 2，4-二硝基苯酚，第二步，量取100ml乙醇溶液，使称量好的2，4-二硝基苯酚溶解于量取的乙醇溶液，既得到1g/L 2，4-二硝基苯酚溶液。

②0.1mol/L盐酸

用移液枪量取浓盐酸(12.0mol/L)8.33ml，置于1000ml容量瓶中定容，既得到0.1mol/L盐酸溶液。

③0.1mol/L氢氧化钠溶液

用电子天平准确称取4g氢氧化钠固体，于烧杯内溶解，然后移至1000ml容量瓶中，加水稀释至刻度线，摇匀。

2.2 实验步骤

2.2.1 标准曲线的绘制

用移液管取10mg/ml标准溶液5ml，移至500ml容量瓶中，加去离子水稀释至刻度线既得到100mg/L铀酰溶液。分别吸取1ml、2ml、4ml、6ml、8ml、10ml铀溶液(100mg/L)与25ml容量瓶中，滴加两滴盐酸、两滴2，4-二硝基苯酚，再加入2ml缓冲溶液及2ml偶氮胂Ⅲ，加入去离子水稀释至刻度线，上下翻转摇匀，然后静置30分钟左右。用1cm比色皿，以试剂空白作为参比，在721型分光光度计上645nm处测其吸光度，然后绘制标准曲线。

2.2.2 TBP萃取水相中的铀酰离子

用移液枪吸取已知浓度的铀酰溶液6ml，移至玻璃瓶中，加入0.6ml TBP溶液，这时瓶中液体会有界面。然后加入12ml乙腈，震荡使界面消失，瓶中的混合液体为均一的液相。之后再加入0.5ml氯仿，这时均一的液相变得浑浊，剧烈震荡后，静置，使混合液体再次出现界面，溶液分层。分层完全后，取界面下方的溶液1ml置于25ml容量瓶中，滴加两滴盐酸、两滴2，4-二硝基苯酚，再加入2ml缓冲溶液及2ml偶氮胂Ⅲ，用去离子水稀释至刻度，摇匀，静置30分钟左右。用1cm比色皿，以试剂空白作为参比，在721型分光光度计上645nm处测其吸光度。将其吸光度代入标准曲线方程既可得到去萃取后的浓度，进而求得其萃取率。

3 结果与讨论

3.1 标准曲线

分别吸取1ml、2ml、4ml、6ml、8ml、10ml铀溶液(100mg/L)于25ml容量瓶中，分别滴加两滴盐酸、两滴2，4-二硝基苯酚，再加入2ml缓冲溶液及2ml偶氮胂Ⅲ，用去离子水稀释至刻度线，摇匀，静置30分钟左右。用1cm比色皿，以试剂空白作为参比，在721型分光光度计上645nm处测其吸光度，得到吸光度与100mg/L体积的关系如图1所示的标准曲线。

图1 铀酰标准曲线

3.2 浓度对萃取率的影响

将浓度分别为30mg/L、40mg/L、50mg/L、60mg/L、70mg/L、80mg/L不同浓度的铀酰溶液，平行三份，分别加入0.4、0.5、0.6ml TBP溶液，分别测其吸光度，参照标准曲线，求得其萃取率如图所示：①黑色曲线为加入0.4ml TBP时，不同浓度的铀酰溶液的萃取率；②红色曲线为加入0.5ml TBP时，不同浓度的铀酰溶液的萃取率；③蓝色曲线为加入0.6ml TBP时，不同浓度的铀酰溶液的萃取率。根据三条曲线的共同特性可以得出：在浓度为50mg/L时，萃取率是最高的，即50mg/L为最佳萃取浓度。

图2 铀酰溶液在不同浓度、 不同TBP量下的萃取率

3.3 pH值对萃取率的影响

将浓pH值分别为3、4、5、6、7、8的不同酸度的铀酰溶液，铀酰溶液浓度为100mg/L，平行三份，分别加入0.4、0.5、0.6ml TBP溶液，分别测其吸光度，参照标准曲线，求得其萃取率如图3所示：①黑色曲线为加入0.4ml TBP时，不同酸度的铀酰溶液的萃取率；②红色曲线为加入0.5ml TBP时，不同酸度的铀酰溶液的萃取率；③蓝色曲线为加入0.6ml TBP时，不同酸度的铀酰溶液的萃取率。根据三条曲线的共同特性可以得出：在pH=5时，萃取率是最高的，即最佳萃取酸度为pH=5。

图3 100mg/L铀酰溶液在不同酸度、 不同TBP量下的萃取率

3.4 温度对萃取率的影响

取六份浓度为100mg/L铀酰溶液，分别加入0.4、0.5、0.6ml TBP溶液，平行两份，分别置于20℃，30℃条件下。然后测其吸光度，参照标准曲线，求得其萃取率如图4所示：①黑色曲线为加入0.4ml TBP时，不同温度下的铀酰溶液的萃取率；②红色曲线为加入0.5ml TBP时，不同温度下的铀酰溶液的萃取率；③蓝色曲线为加入0.6ml TBP时，不同温度下的铀酰溶液的萃取率。根据三条曲线的共同特性可以得出：因为在温度高于四十度时，加入溶液将不会出现分层的现象，不能进行液液萃取，故温度不能超过40℃。在30℃时的萃取率是大于20℃时的，所以本实验最佳萃取温度为30℃。

图4 100mg/L铀酰溶液在不同温度、 不同TBP量下的萃取率

3.5 TBP对其他离子的萃取效果

取七份已知浓度(50mg/L)的杂离子溶液，分别加入0.1ml、0.2ml、0.3ml、0.4ml、0.5ml、0.6ml、0.7ml TBP溶液。测其萃取后溶液中的离子浓度，分别求得U、Na、K、Cu、Fe的萃取，如图5所示。由图5可知：TBP能够很好地萃取铀离子，对钠、钾、铜、铁等离子则萃取率非常低，说明磷酸三丁酯/溶剂诱导分相技术不适用于萃取这几种离子。

图5 U、Na、K、Cu、Fe等离子在TBP量 不同时的萃取率

4 结论

从上述实验结果中数据图可以看出，本次实验酸三丁酯(TBP)均相液-液萃取水相中铀酰离子萃取最高时只有大约60%，萃取率略微偏低，这主要原因是萃取时加入的TBP量太少，不足以最大程度萃取水相中的铀酰离子。关于如何提高萃取率有以下几种方法：①一次加入足够的磷酸三丁酯，以最大限度的结合水相中的铀酰离子；②重复萃取，尽可能使水相中的铀酰离子浓度降到最低。

均相液-液萃取是一种简单且强大的富集方法，提取时间短，成本低，高选择性敏感。此方法提取溶质在均匀的液体-液体提取，初始条件是均匀的溶液，即存在的水相与水混溶的有机溶剂相之间无界面。换一种说法，最初界面的表面积为无限大。因此，不需要剧烈震荡，该过程简单，只需要增加相关的试剂。均相液-液萃取是一种新型、高效、节能的萃取技术用于离子的提取。使用均相液-液萃取技术能够使金属元素如铀，钼，钯，铂和稀土元素以非常高的萃取率。因此均质液-液萃取技术在化工、环境保护方面有很好的应用前景。

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