Выделение америция-241 методом вытеснительной комплексообразовательной хроматографии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.14, кандидат химических наук Харитонов, Олег Викторович

• Харитонов, Олег Викторович
• кандидат химических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат химических наук Харитонов, Олег Викторович

Введение.

Глава 1. Литературныйобзор.

1.1.Получение и очистка америция-241.

1.2.Метод ВКХ.

1.3. Факторы, влияющие на эффективность процессов разделения.

1.4. Применение ВКХ для разделения радионуклидов РЗЭ и ТПЭ.

1.5. Пути интенсификации хроматографических процессов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Выделение америция-241 методом вытеснительной комплексообразовательной хроматографии»

Актуальность проблемы. Одним из достижений современного научно-технического прогресса является» практическое использование искусственных радиоактивных элементов. Уникальные ядерно-физические свойства америция-241 (практически моноэнергетическое а- и у-излучение) находят широкое применение в малой атомной энергетике. Как источник мягкого у-излучения, а в смеси с бериллием и бором как источник быстрых нейтронов (ИБН) америций-241 превосходит другие подобные радионуклиды с точки зрения стоимости, удобства обращения, спектральной чистоты и времени жизни. Мировая потребность в америции-241 составляет 1-2 кг в год. Однако большинство из описанных в литературе процессов выделения америция предназначены скорее для получения концентратов с целью последующего захоронения или трансмутации, чем для получения высокочистого америция. Экстракционные процессы требуют сложного и дорогостоящего оборудования. По этой причине применение экстракции экономически целесообразно при выделении больших количеств америция: Метод вытеснительной комплексообразовательной хроматографии (ВКХ) является одним из важнейших методов препаративного получения веществ. В настоящее время он с успехом используется для разделения и очистки всех природных и радиоактивных редкоземельных элементов (РЗЭ), в частности прометия-147 и радионуклидов трансплутониевых элементов.

Сложный химический и радиохимический состав растворов, образующихся при переработке различных америций-содержащих концентратов, предопределяет необходимость проведения- широкого круга исследований, необходимых для создания- способов выделения америция-241 высокой степени чистоты из реальных растворов ПО «Маяк» методом ВКХ.

Целью работы является разработка способов для промышленного выделения америция-241 из реальных растворов ПО «Маяк» методом ВКХ.

Для достижения данной цели необходимо было:

-изучить влияние состава элюента (комплексообразующее вещество, вытеснитель, добавки, их концентрации) и вида удерживающего иона на эффективность разделения америция и РЗЭ;

-исследовать поведение тяжелых РЗЭ и основных примесных элементов при выделении америция методом ВКХ;

-определить влияние параметров хроматографических установок на эффективность процессов разделения;

-определить оптимальные условия выделения америция при различных режимах элюирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1.Впервые исследовано влияние накопления конкурирующего иона-вытеснителя на эффективность разделения элементов при S-образной изотерме ионного обмена вытеснителя с удерживающим ионом.

2. Впервые изучено целенаправленное изменение порядка вымывания свинца и кадмия, что было использовано при выделении америция.

3. Разработаны способы выделения америция из сложных по химическому и радиохимическому составу растворов ПО «Маяк».

Практическая значимость работы.

- полученные научные результаты легли в основу технологических процессов выделения америция-241 на ПО «Маяк»;

- с помощью метода ВКХ из отходов химико-металлургического производства и растворов после переработки выдержанного плутония «ВФ» было получено более 10 кг высокочистого америция-241.

На защиту выносится:

1. Результаты исследований влияния состава элюента, вида удерживающего иона, режимов элюирования на эффективность выделения америция.

2. Способ выделения америция из отходов химико-металлургического производства.

3. Способ выделения америция из растворов после переработки выдержанного плутония «ВФ».

Апробация работы. Основные результаты работы представлены и опубликованы в тезисах и докладах на международных и Российских (Союзных) конференциях:

-Применение ионообменных материалов. Воронеж. 1981 год

-Вторая всесоюзная конференция по химии трансплутониевых элементов. Димитровград, 1983 год

-Всесоюзная конференция по применению экстракционных и сорбционных методов для выделения и разделения актинидов и лантанидов, Москва, 1984 год.

-VI Всесоюзная конференция «Применение ионообменных материалов, в промышленности и аналитической химии». Воронеж. 1986 год.

-Проблемы производства и применения изотопов и источников, ядерного излучения в народном хозяйстве СССР. Ленинград, 1988 год.

-Институт физической химии на рубеже веков. Москва, 2000 год.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 7 статей, 5 научных отчета, тезисы 2 докладов.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, шести глав и выводов. Объем работы составляет 148 страниц машинописного текста, включая 42 таблицы и 43 рисунка. Библиография включает 92 источника российских и зарубежных авторов.

Заключение диссертации по теме «Радиохимия», Харитонов, Олег Викторович

Основные результаты и выводы

1. Изучены особенности разделения америция и РЗЭ при использовании различных удерживающих ионов. Установлено, что в случае проникновения иона-вытеснителя в зону удерживающего иона происходит накопление конкурирующего иона-вытеснителя в хроматографической системе, что приводит к ухудшению эффективности разделения америция и РЗЭ.

2. Исследовано влияние добавок в элюент солей лимонной кислоты на разделение америция и РЗЭ. Установлено, что при разделении америция и РЗЭ на катионите в водородной форме для элюента 0,025 моль/л ДТПА,

1 содержащего 0,01 моль/л солей лимонной кислоты, наблюдается минимальное значение ВЭТТ, которое соответствует максимальному относительному содержанию разделяемых элементов в обеих фазах.

3. При введении в элюент на основе ДТПА солей лимонной кислоты наблюдается изменение порядка вымывания свинца и кадмия, зоны которых смещаются в сторону легких РЗЭ. При концентрации лимонной кислоты в элюенте свыше 0,015 моль/л происходит полное отделение америция от свинца и кадмия.

4. Разработан способ выделения америция из отходов химико-металлургического производства с помощью последовательного применения элюентов на основе ДТПА с добавками солей лимонной кислоты (для очистки америция от легких РЗЭ, европия, гадолиния, свинца, кадмия и других примесей) и НТА (для очистки америция от тяжелых РЗЭ).

5. Разработан способ получения высокочистого америция из растворов после переработки выдержанного плутония «ВФ» с помощью элюента 0,025 моль/л ДТПА, содержащего 0,024 моль/л цитрата аммония. Установлено, что некоторые примесные элементы (хром, алюминий, цинк) являются разделяющими ионами для америция и церия, что позволило получить кондиционный америций с выходом свыше 99%.

6. Разработанные способы были использованы для промышленного выделения высокочистого.америция-241 на ПО «Маяк». ч

Выражаю огромную благодарность и глубочайшую признательность за проявленный интерес к работе, постоянную помощь и ценные замечания: моему учителю, первому руководителю направления «Выделение трансплутониевых элементов методом ВКХ» кандидату химических наук Энергии Александровне Чувелевой, а также моей коллеге кандидату химических наук, старшему научному сотруднику Любови Александровне Фирсовой.

Список литературы диссертационного исследования кандидат химических наук Харитонов, Олег Викторович, 2008 год

1. Сиборг Г. Искусственные актиниды — от открытия до практического применения. //Атомная техника за рубежом. 1971, № 10. С.4-11.

2. Миндсней Р. Производство плутония-238 с минимальной примесью плутония-236. // Атомная техника за рубежом. 1972. № 9. С.33-37.

3. Киндал Дж. Применение трансплутониевых элементов. // Атомная техника за рубежом. 1972. № 12. С.19-25

4. Ф.Вайгель, Дж.Кац, Г.Сиборг и др.Химия-.актиноидов: В 3-х томах. Т.2: Пер. с англ./Под ред.' Дж.Каца, Г.Сиборга, .Л.Морсса.- М.:Мир;1997.-664'с. С.408-417.

5. Круглов А.К., Рудик А.П. Реакторное производство, радиоактивных нуклидов. М. : Энергоатомиздат. 1985. 256с. G.47-48.

6. Horwitz Е.Р., Bloomquist С.А.А., Sauro L.J., Henderson D.J. The liquid-liquid extraction of certain- tripositive transplutonium ions from salted nitrate solutions with a tertiary and quaternary amines. // Jt Inorg. Nucl. Chem., 1966. V. 28. P.2313-2314.

7. Specht S., Schiitz B.O., Born H.Y. Development of a highpressure ion-exchange system for rapid* preparative separations of trans-uranium, elements// J.Radioanalytical Chemistry. 1974. V.21,N 1. P.167-176.

8. Елесин А.А., Николаев B.M. Применение методов вытеснительной и элютивной хроматографии для препаративного выделения трансплутониенвых элементов // Радиохимия, 1983. Т.25, № 6. С.740-744.

9. Спеддинг Ф.Г., Пауэлл Дж. Разделение редкоземельных элементовметодом ионного обмена. Количественная теория механизма вымывания разбавленными цитратными> растворами. BJ кн.: Редкоземельные металлы. М., Иностранная литература. 1957. 420 с. С 202-215.

10. Тремийон Б. Разделение на ионообменных смолах. Пер. с французского. М., Мир, 1967.432с.

11. Массон Дж. Получение больших количеств редкоземельных элементов методом ионного обмена. В кн. Методы разделения редкоземельных металлов. М.: Иностранная литература. 1961. 358 е., С.250-269.

12. Helfferich F.,James D.B./ An equilibrium theory for rare-earth separation by displacement development.// J.Chromatography. 1970. V.46, N 1. P.l-28.

13. Wilson J.N. A Theory of Chromatography. // J.Amer.Chem.Soc. 1940; V.62.i1. P.1583-1591.15.- Аналитическая химия трансплутониевых элементов. Сборник. М.: Наука. 1972. 374с: С.186-187.

14. Мартыненко Л'.И., Спицын В.И. Избранные главы неорганической? химии. Выпуск 1: Учебное пособие. М.: Издательство МГУ. 1986. 287с.

15. Hagivara Z., Oki Н. Theoretical Treatment of the Elution System of Rare-Earth with Dilute H.E.D.T.A. Eluant.// J. Inorg. Nucl.Chem. 1970. V.32, №1. P.291-307.

16. Шептунов B.H. Исследование процесса разделения редкоземельныхi,элементов методом вытеснительной комплексообразовательной хроматографии. Диссертация на соискание степени кандидата1 химических н^ЖЖфШСССР, 1972. 133~с7 .

17. Kogan L, Ratner R. Separation of yttrium from the Lantanides by ion exchange wich diethylenetriaminopentaacetic acid as eluant. I. Separation of yttrium-erbium mixtures.// J*. Chromatography. 1971, V.62, N.3. P.449-457.

18. Назаров П.П., Шептунов B.H. Маслова Г.Б., Чмутов К.В. Расчетные и экспериментальные результаты по выделению редкоземельных элементов методом вытеснительной комплексообразовательной хроматографии.// Журн.физ.химии. 1972. Т.46, №5. С.1161-1164.• ■ . 140

19. Маторина Н.Н., Шепетюк JT.B., Чмутов К.В: Сорбция1 диэтилентриаминпентауксусной- (ДТПА) и этилендиаминтетрауксусной (ЭДТА) кислот на катионите КУ-2: It. Теплоты сорбции- ДТПА w ЭДТА на катионите вН-форме. // Журн^физ.химищ 1967. Т.41, №1; СЛ>12-Ш7.

20. Маслова Г.Б., Коршунова С.П., Рудман J1.3., Назаров П.П., Горбанев А.И., Чмутов К.В: Применение вытеснительной комплексообразовательнош хроматографии для разделения меди-, никеля, кобальта и цинка- // Журн.физ.химищ 1975: Т.49, №10;.С.2658-2659;

21. Физика иг химия, редкоземельных; элементов. Справочник. Mt,. Металлургия. 1982." 336с. С.267-2757 "

22. Surls J.P., Choppin G.R. Equilibrium; Sorption of Eanthanides, Americium and Curium on Dowex-50 Resin. // J. Amer. Chem. Soc., 1957. V.79; N 4. P. 855-859.

23. Boyd G.E. Thermodynamic Property Changes in Lantanide III Cation Exchange Reactions with Poly(styrenesylfonicacid) Type Cation Exchangers: // J. Phys. Chem., 1978v V,82, N 25 . P: 2704-27095.

24. Инцеди Я. Применение комплексонов в аналитической химии. М.: Мир. 1979,376 е., С.346-348.

25. Яцимирский К.В., Костромина Н.А., Шека З.А., Давиденко Н.К., Крисс Е.Е., Ермоленко В.И. Химия комплексных соединений редкоземельных элементов. Сборник. Киев.: Наукова Думка. 1966, 494 с.

26. Martell А.Е., Smith R.M*. Critical Ctabilyty Constants. V.l: Aminoacids. New Jork and London: Plenum Press. 1972.

27. Самсонов Г.В., Тростянская Е.Б., Елькин Г.Э. Ионный обмен. Сорбция органических веществ. JL: Наука, 1969, 336 с. С.285-287.

28. Маторина Н.Н., Бучатский П.М., Чмутов K.Bi Выбор удерживающего иона в вытеснительной ионообменной* хроматографии в присутствии комплексообразующих реагентов. I. Удерживающий ион не образует комплексов. // Журн.физ.химии, 1976. Т.50, №12. С.3156-3159.

29. Маторина Н.Н., Бучатский П.М., Чмутов К.В. Выбор удерживающего иона в вытеснительной ионообменной хроматографии в присутствии комплексообразующих реагентов. I. Удерживающий ион связывается в комплекс. //Журн.физ.химии, 1977. Т.51, №4. С.872-874.

30. Белов В^В., Назаров П.П. Условия обострения' фронта при ионообменной хроматографии в присутствии комплексообразующих реагентов.// Журн.физ.химии, 1979. Т.53, №8. С.2067-2070.

31. Белов В.В., Калиничев А.И., Назаров П.П. Теория формирования вытеснительной ионообменной хроматограммы при S-образной изотерме вытеснителя.// Журн.физ.химии, 1978. Т.52, №8. С.2116-2117.

32. Powell J.E., Burkholder H.R., Gond К. Experimentel determination of elution requirements in displacement ion exchange. // J. Chromatography., 1971. V.54, N 2. P.259-267.

33. Гелис В.М., Маслова Г.Б., Назаров П.П., Шептунов В.Н., Чмутов К.В. Исследование механизма вытеснительного вымывания редкоземельных элементов с использованием комплексообразующих реагентов.// Журн.физ.химии, 1977. Т.51, №1. С.38-42.

34. Маторина Н.Н. Равновесный фактор разделения в ионообменной! комплексообразовательной хроматографии.// Журн.физ.химии, 1964. Т.38, №4. С.932-938.

35. Маторина Н.Н., Сафонова Н.Д., Шепетюк JI.B., Чмутов К.В. Влияние температуры на равновесные факторы разделения в ионообменной хроматографии в присутствии комплексообразующих веществ. // Журн.физ.химии, 1969, Т.43, №11', С.2881-2884.

36. Hagiwara Z., Banno A., Kamei A. The Er-Tm separation factor in. the presense of Chelating agent and elution behavior of binary mixtures of Er and'Tm. // J. Inorg. Nucl. Chem., 1969. V.31, N 10: P.3295- 3301.

37. Love J.T. Isolation of Prometium-147 by rapid cation exchange chromatography. // Ch.A.72: 27327 K; U.S.At Energy Comm. DP-1194, 1969. P.29.

38. Hale W.H., Love jlT. Rapid, gram-scale separation of curium from americiumand lantanides by cation exchange chromatography. // Inorg. and Nucl. Chem. Letters. 1969. V.5. P. 363-368.

39. Чувелева Э.А., Назаров П.П., Чмутов K.B. Хроматографическое разделение америция, кюрия и редкоземельных элементов при помощиIдиэтилентриаминпентауксусной и нитрилотриуксусной кислот.// Журн.физ.химии, 1974. Т.48, №12. С.3078-3081.

40. Щербик JI.K. Исследование высокоскоростного разделения ионов рзэ вытеснительным методом. Диссертация на соискание степени кандидата химических наук. М: ИФХ АН СССР. 1980. 161 с.

41. Kraus R.A., Reridon R.G. Temperatur dependence of some cation «exchange equibria in the range 0'to 200°. // J.Phys.Chem. 1959, V.63.P.1901.

42. Маторина H.H., Сафонова Н.Д., Шепетюк JI.B., Чмутов K.B. Влияниетемпературы на кинетику ионного обмена в присутствиикомплексообразующих реагентов.// Журн.физ.химии, 1970. Т.44, №2. С.486-490.

43. Love J.T., Hale W.H., Hallman D.F. Development of a pressurized cation exchange Chromatographic process for separation of transplutonium actinides. // Ind. Eng.Chem. Process Design and Development. 1971, V.10. N 1, Pi 131-135.

44. Hagiwara Z. Elytion System of rare-earth with EDTA eluent.// J. Phys. Chim. 1969. V.73,N 9. H.3102-3108.

45. Giddings J.C. Dynamic of Chromatography. Part 1. Principles theory. New York.: Marcel Dekker. Inc. 1965. 323p. P.52-55.

46. Семеновская Т.Д., Щербик JI.K., Назаров П.П., Чмутов К.В., Авгуль В.Т. Размывание фронта в высокоскоростной вытеснительной хроматографиию // Журн.физ.химии, 1975. Т.49, №11. С.2963-2964.

47. Семеновская Т.Д., Щербик Л.К., Назаров П.П., Чмутов К.В., Авгуль В.Т. Влияние температуры на размывание фронта в высокоскоростной вытеснительной хроматографиию // Журн.физ.химии, 1975. Т.49, №11. С. 2965-2966.

48. Щербик Л.К., Семеновская,Т.Д., Авгуль В.Т., Назаров П.П., Чмутов К.В. Особенности формирования фронта при высокоскоростном' разделении ионов редкоземельных элементов. // Журн.физ.химии, 1978. Т.52, №3. С.776-778.

49. Маторина Н.Н., Шепетюк Л.В., Чмутов К.В. Кинетика сорбции в присутствии полиаминополикарбоксильных кислот.// Журн.физ.химии, 1967. Т.41, №9. С. 2345-2347.

50. Егоров Е.В., Новиков П.Д. Действие ионизирующих излучений на ионообменные материалы. М.: Атомиздат. 1965. 398 с.

51. Тулупов П.Е. Стойкость ионообменных материалов. М.: Химия. 1984. 232 с.

52. Hafez М.В., Hafez N., Higazi W. Radiolisis of aqueous solutions of ethylenediaminetetraacetatocobalt (II) and (III). // J. Radioanal. Chem., 1979. VA^ Wl. F.37-44.

53. Кулигина H.B., Киселева Е.Д., Чмутов K.B., Маслова Г.Б. Действие у-излучения 60Со на нитрилотриуксусную кислоту. // Журн.физ.химии, 1978. Т.52, № 5. С.1299-1301.

54. Bibler N.E. Gamma and alpha radiolysis of aqueous solutions of diethylenetriaminepentaacetic acid. // J. Inorg. Nucl. Chem., 1972. V.34, N 4. P.1417-1425.

55. Кулигина Н.В., Киселева Е.Д., Маслова Г.Б, Назаров П.П., Чмутов К.В. Действие ионизирующего излучения на хроматографическое разделение редкоземельных элементов. //Журн.физ.химии, 1977. Т.51, № 8. С.2053-2055.

56. Белов В.В., Назаров П:П^ Динамика размывания сорбционного фронта на выходе колонны с переменной емкостью. // Журн.физ.химии, 1980: Т.54, № 3, С.719-723.

57. Фирсова JI.A., Чувелева, Э.А, Харитонов О.В., Назаров Н.П. Исследование влияния ионизирующего излучения на хроматографический процесс разделения трансплутониевых элементов. // Радиохимия, 1985. Т.27, № 5. С.648-656.

58. Wheelwright E.G. A Comprasion of Eluting Agents for the Ion-Exchange Purification of Prometium. // J.Inorg.Nucl.Chem., 1969. V.31, №10. P.3287-3293.

59. Гелис B.M., Маслова Г.Б. Выделение граммовых количеств 147Рш. I. Расчет параметров хроматографического процесса разделения. // Радиохимия, 1998. Т.40, №1. С.52-54.

60. Гелис В.М., Маслова Г.Б., Чувелева Э.А. Выделение1 граммовых*количеств 147Рш. П.Получение чистого прометия методом вытеснительной1комплексообразовательной хроматографии. // Радиохимия, 1998. Т.40, №1. С.55-59

61. Wheelwright E.G. Generic ion-exchange process for recovery and purification of valuable elements from the nuclear industry. // Proc. conf. Ion-Exchange in the Process Industries, London, 1970. P. 202-208. Rep.BNWL-SA-1945, 1968.

62. Wheelwright E.G. Kilogram-Scale Purification of Americium by Ion-Exchange.// Separation Science and Technology, 1980. V. 15(4). P.783-798.

63. Hulet E.K., Bode DjD. Separation Chemistry of Lantanides and

64. Transplutonium Actinides , in : Emelius H.J., Bargnall" K.W. eds, MTPi1.ternational Review of Science, V.7, Lantanides and Actinides, Butterworths, London, 1972. P.1-45T

65. Harbour R.M., Hale W.H., Burney, Love J.T. Large-Scale Separation^ of Transplutonium Actinides by Pressurised Cation Exchange.// Atomic Energy Review, 1972, V.10, №3, p.379-399:

66. Balcombe G.I., Wiseall. The effect on anions on the kinetics of exchange Ce(III) ions an cerium polyaminocarboxylic acid chelates. // J.Inorg.Nucl.Chem., 1974.V.36, N 4. P. 881.

67. Мартыненко Л.И., Спицын В .И., Артюхина ; F. А. О влиянии лимонной' кислоты, на обмен ионами рзэ между катеонитом и раствором: ЭДТА.// Журн.неорг.химии, 1970. Т. 15, № 4. С.931-934.

68. Гелис В.М., Маслова Г.Б. Выделение 147Рш методом вытеснительной хроматографии с использованием буферированного элюента. // Радиохимия, 1999. 'Г.41, № 5. С.436.

69. Виккери Р.К. Разделение лантаноидов; ионным обменом. Сравнение десорбентов. В кн. Редкоземельные металлы: М.: Иностранная литература. 1957. 420с. С. 156-163.

70. Фитч Ф.Т., Рэссель Д.Г. Разделение редкоземельных элементов методом ионного обмена. В кш Редкоземельные металлы: Mi: Иностранная литература: 1957. 420с. С. 148-155.

71. Мартыненко Л.И: Некоторые вопросы хроматографического разделения р.з.э. В кн. Редкоземельные элементы.( получение,,анализ; применение):.М!: Академия Наук СССР. 1959: 332с. С.112-120.

72. Мартыненко? Л.И:, Спицин В.И;, Артюхина1' Г.А. О влиянию лимонной' кислоты, на обмен ионами? Р.З.Э. между катеонитом и раствором этилендиаминтетрауксусной кислоты.// ЖНХ, 1970. Т. 15, №4. С. 931-934.

73. Мартыненко Л.И., Артюхина Г.А., Спицин В.И.О существовании смешанного^ комплексного соединения неодима с лимонной и этилендиаминтетрауксусной кислотами.// Доклады АН СССР, 1969. Том 185. С.600-604.1. Ц g)

74. Харитонов О.В., Чувелева Э.А., Фирсова JLA. У Разделение редкоземельных элементов хроматографическим методом с использованием конкурирующего иона кадмия. // Журн. физ. химии, 1993. Т.67, № 9. С.1866-1868.

75. Пайк Ж., Берд Г., Дево Дж., Клейнберг Д., Кауген Г. Радиохимия хрома, мышьяка, кадмия, галогенов. Изд. «Мир», М. 1964.221с.

76. Лаврухина А.К., Юкина Л.В. Аналитическая химия хрома. Изд. «Наука», М. 1979.219с.