способ хроматографического разделения редкоземельных и трансплутониевых элементов

Формула изобретения

1. Способ хроматографического разделения редкоземельных и трансплутониевых элементов, включающий сорбцию на сильнокислотном сульфакатионите в водородной форме с последующим элюированием раствором диэтилентриаминпентаацетата аммония через слой сильнокислотного сульфакатионита в форме иона переходного металла, отличающийся тем, что элюирование редкоземельных и трансплутониевых элементов проводят раствором диэтилентриаминпентаацетата, дополнительно содержащим нитрилотриацетат щелочного металла или аммония.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что элюирование ионов редкоземельных и трансплутониевых элементов проводят раствором состава диэтилентриаминпентаацетат щелочного металла или аммония концентрации 5-30 г/л + нитирилотриацетат щелочного металла или аммония концентрации 10-20 г/л при рН 6-8.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сульфакатионит используется в форме ионов двухвалентных переходных металлов из группы Ni, Co, Сu, Zn, Cd, Pb, Fe.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области хроматографического разделения трансплутониевых (ТПЭ) и редкоземельных элементов (РЗЭ), в частности к способам выделения кюрия, америция, самария и прометия из растворов, полученных после переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ).

Известен способ /1/ хроматографического разделения РЗЭ, включающий сорбцию РЗЭ на сульфокатионите в водородной форме и последующее элюирование через катионит в медной форме с помощью 2%-ного раствора этилендиаминтетраацетата аммония (ЭДТА) при рН 8,5. Недостатками данного способа являются:

- низкая растворимость самой этилендиамитетрауксусной кислоты и комплексов ЭДТА с РЗЭ, вследствие чего на колонке могут выпадать осадки и уменьшается проходимость колонны;

- небольшие концентрации РЗЭ в элюенте, вследствие чего требуется много времени для проведения процесса разделения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому способу является способ /2/ катионообменного выделения кюрия, америция, самария и прометия. Способ /2/ включает сорбцию на сильнокислотном сульфокатионите Дауэкс-50W в водородной форме, последующую промывку дистиллированной водой и элюирование через катионит в цинковой форме при температуре 70^oС раствором диэтилентриаминпентаацетата аммониния (ДТПА) концентрации 20 г/л. При этом на выходе из хроматографической колонны вымываемые элементы располагаются полосами в следующем порядке:

Zn-(Cm+Am)-Eu-Sm-Y-Pm-Nd.

Соседние полосы элементов имеют зоны смешивания. Величина зоны смешивания не зависит от количества элементов. Поэтому при небольших количествах, например прометия, он весь попадает в зону смешивания с иттрием, что является нежелательным. На фиг.1 представлены результаты процесса, выполненного по способу-прототипу.

На второй стадии процесса в способе /2/ для разделения кюрия и америция используют нитрилотриацетат аммония (НТА) концентрации 20 г/л.

Недостатками данного способа являются:

- низкая очистка прометия от иттрия, что требует дополнительной операции аффинажа прометия;

- недостаточная очистка самария от иттрия;

- значительное время проведения процесса из-за низкой скорости движения полосы сорбированных элементов по колонке.

Технической задачей изобретения является увеличение степени очистки прометия и самария от иттрия при сохранении степени очистки кюрия и америция от европия, а также в ускорении процесса.

Поставленная задача достигается тем, что сорбцию разделяемых элементов из исходного раствора проводят на сильнокислотном сульфокатионите КУ-2 в водородной форме, а элюирование проводят раствором, содержащим 10-20 г/л НТА и 5-30 г/л ДТПА аммония или щелочного металла, через катионит в форме ионов двухвалентных переходных металлов (Ni, Co, Сu, Zn, Cd, Pb, Fe) при температуре 70^oС. В данных условиях на выходе из хроматографической колонны зоны выделяемых элементов располагаются четко в следующем порядке: Ni (Zn, Со,... )-(Cm+Am)-Eu-Y-Sm-Pm-Nd.

При этом прометий не имеет зоны смешивания с иттрием и обеспечивается достаточная очистка кюрия и америция от европия, а самария и прометия - от иттрия (фиг.2).

При элюировании с помощью элюента, содержащего только ДТПА, элементы на выходе располагаются следующим образом:

Am-Eu-Sm-(Y+Pm)-Nd

При элюировании с помощью НТА: Y-(Am+Eu)-Sm-Pm-Nd

Полученный при использовании смеси элюентов ДТПА+НТА порядок расположения зон выделяемых элементов априори не очевиден и не может быть рассчитан из значений констант комплексообразования РЗЭ и ТПЭ с применяемыми в процессе комплексонами, т.к. один из комплексонов, а именно НТА, образует с элементами два вида комплексов MeR и MeR2, соотношение которых может быть различно и зависит от многих причин, которые не могут быть учтены при расчете.

При использовании элюента, содержащего НТА <10 г/л или ДТПА>30 г/л, увеличивается проникновение иттрия в зону самария, а затем и прометия и уменьшается степень очистки последних от иттрия.

При увеличении содержания НТА в элюирующем растворе более 20 г/л и содержании Д1ПА<5 г/л ухудшается очистка кюрия и америция от европия.

Существенным отличительным признаком данного способа является использование элюента, состоящего из смеси комплексонов ДТПА и НТА.

Заявленное техническое решение соответствует критерию "существенные отличия", т. к. его отличительный признак - элюирование смесью комплексонов ДТПА+НТА - не известен в научно-технической литературе. Кроме того, заявленное техническое решение приводит к новому техническому свойству объекта, а именно: изменению порядка вымывания элементов, что в свою очередь приводит к положительному эффекту: повышению степени очистки прометия и самария от иттрия при сохранении степени очистки америция и кюрия от европия и обеспечивает возможность одновременного (одностадийного) выделения нескольких целевых продуктов: кюрий + америций, самарий, прометий.

Примеры выполнения способа:

Пример 1 (фиг.2): 200 мл исходного раствора состава: азотнокислых солей европия - 2; иттрия - 1,5; самария - 4,5; прометия - 0,025; кюрия и америция -0,25; неодима - 2 мг/мл (по металлу); азотной кислоты - 1 моль/л пропускают через сорбционную колонку (высотой Н=20 см, сечением S=1,2 кв. см), содержащую сильнокислотный сульфокатионит КУ-2 в водородной форме. После проведения операции сорбции к колонке подсоединяют последовательно три разделительные колонки, содержащие катионит КУ-2 в никелевой форме (Н1=Н2=Н3=80 см; S1=0,6; 82= 0,3; S3=0,2 кв. см). Элюирование проводят при температуре 70+-2^oС с помощью элюента, содержащего 10 г/л ДТПА и 15 г/л НТА. Результаты разделения приведены на фиг.2 и в таблице. При этом фракция прометия не содержит иттрия, в 1 г самария содержится 0,05 г иттрия, очистка америция и кюрия от европия не ухудшается по сравнению со способом-прототипом. Скорость движения полосы сорбированных элементов по колонке 30 см/ч.

Другие примеры на заявленные значения концентраций ДТПА и НТА и солевые формы катионита выполняются так же, как пример 1. Результаты приведены в таблице.

Как следует из примеров выполнения способа, преимущества заявленного технического решения перед способом-прототипом заключаются в следующем:

- увеличивается степень очистки самария и прометия от иттрия при сохранении степени очистки америция и кюрия от европия (содержание иттрия в самарии менее 0,05 г на 1 г самария, иттрий во фракции прометия не обнаружен; в то время как в эксперименте, выполненном по способу-прототипу, содержание иттрия в прометии 1,5 г иттрия на 1 г прометия, а в самарии - 0,3 г иттрия на 1 г самария), что обеспечивает одновременное выделение трех целевых продуктов: кюрии + америций, самарий и прометий (без проведения дополнительных операций аффинажа);

- сокращается время проведения эксперимента по крайней мере в три раза (в 2-3 раза за счет отсутствия операций аффинажа и промывки и примерно в 1,5 раза за счет более быстрого движения полосы сорбированных элементов по колонке).

Источники информации

1. Спеддинг, Поуэлл, Уилрайт. Применение меди в качестве удерживающего иона при десорбции редкоземельных элементов растворами этилендиамитетраацетата аммония. - в Сб. Редкоземельные металлы. Под ред. Л.Н. Комиссаровой и В.Е. Плющева. Изд. ИЛ, М., 1957, с.216.

2. Wheelwright E.G., Roberts F.P., The use of alternating ДТПА and HTA cation exchange flowsheets for the simultaneous recovery and purification of Pm, Am, Cm - Report BNWL - 1072, Battele Northwest Laboratory Richlang, July, 1969.