一种从铀及镧系元素混合物中分离制备铀及镧系元素的方法

本发明涉镧系、锕系元素分离领域，特别涉及铀及镧系元素混合物分离并分别制备高纯铀及镧系元素的方法。

背景技术：

1、铀及镧系元素的高效分离具有重要的经济和国防价值。例如乏燃料的回收涉及到将乏燃料中的铀和镧系核裂变产物完全分离并进行回收，这既可以去除乏燃料中具有中子毒性的镧系元素以实现核燃料的再生利用，也可以同时制备具有较高应用价值的镧系裂变产物。例如，乏燃料中的pm147可被用作β粒子源，用于制造便携式x-射线仪，同时它还是一种放射性同位素热电发生器的燃料，可用来制造钷电池；sr-90是乏燃料中含量较高的一种中寿命放射性裂变产物，半衰期为28.8年，可用于制造核燃料电池以及核仪器，此外还可以借助sr90/y90发生器生产sr-90的衰变产物y-90，而y-90是一种重要的医用同位素，常被用于治疗淋巴瘤和胰腺癌等。另一方面，许多种镧系医用同位素是以相邻镧系元素为靶件通过中子活化的方式进行制备，然后再对靶标元素和辐照产物进行分离而获得。如lu-177可由yb-176通过反应堆中子辐照制得，能用于治疗神经内分泌瘤、转移性去势抵抗性前列腺癌及多发性骨髓瘤等；ho-166可以由dy-164通过反应堆中子辐照制得，能用于肝癌的诊断和治疗。不管是乏燃料的处理亦或是医用同位素的制备，都强烈需求针对铀及镧系元素的高效分离手段。如果一种分离手段可以同时实现铀及各镧系元素的完全分离，则这种分离手段则有望作为一种通用方法用于上述应用场景中目标核素的分离与制备。

2、目前已经报道的用于分离铀和镧系元素分离的方法，包括液液萃取法、沉淀法和高效液相色谱法。在这些方法中，液液萃取法和沉淀法虽然生产成本较低且适合于大规模生产，但其分离效率较低，产物纯度普遍不高，不适合用于多种组分的高纯度同步分离，且对于微量低浓度放射性同位素无法实现快速有效分离。高效液相色谱法具有分离效率高且分离快速的优点，非常适合于复杂样品体系中多种组分的同步分离，同时通过使用制备级高效液相色谱装置可以有效改善色谱分离法样品处理量少的问题。因此，高效制备色谱法非常适合于乏燃料回收以及医用同位素分离这类样品组分相对复杂且对产物纯度要求较高的场景，尤其是对于同量异位素间的分离相较于物理分离手段具有很大优势。

3、由于镧系元素中相邻元素间的化学性质极为相似，因此对色谱分离材料的分离性能有很高的要求；另一方面，与镧系离子不同，锕系元素离子具有较强的疏水性，常规离子色谱柱通常无法同时实现对铀和镧系元素的有效保留。现在常用的一种镧系元素和锕系元素分离策略是将两根不同性质的色谱柱进行串联(如c18反相柱+阳离子交换柱的组合)，然后通过第一根c18反相色谱柱先对锕系元素进行分离，然后在第二根离子交换色谱柱上对各个镧系元素进行分离。此方法需要两根色谱柱和两个六通阀联动才能完成分离过程，控制程序复杂，分离装置的制造成本较高，也增加了设备的维护和运行成本。

4、因此，针对制备高纯度铀及镧系元素的分离纯化方法所存在的问题，探索一种高效、简便且成本低的制备纯化新方法对于铀的回收以及高价值镧系同位素的生产具有重大意义。本发明在色谱法的基础上，采用含有疏水性基团且同时具有离子交换基团或特定离子螯合官能团的硅胶作为固定相制备单根色谱柱，使用有机酸或无机酸作为淋洗剂即可对铀及镧系元素混合溶液进行同步分离纯化，制备高纯铀及镧系元素；同时通过色谱柱后安装三通阀分流少部分流出液用于检测器检测，可实现实时成分监测。整个色谱分离过程操作简便，自动化程度高，监测准确度高，在铀及镧系元素的制备分离上有很好的应用前景。

技术实现思路

1、一种分离制备铀及镧系元素的方法，包括：

2、以含有疏水性碳链的离子交换基团或含有特定离子螯合基团的硅胶为固定相，以有机酸和/或无机酸溶液为流动相对所述含有铀及镧系元素离子的混合水溶液进行分离纯化；

3、在色谱柱后安装三通阀，进而将色谱柱流出液一分为二并分别通入检测器和组分收集器，少部分进入检测器实现对流出液组分信息的实时监控，绝大多数流出液进入组分收集器；

4、通过检测器实时检测各组分出峰时间，然后根据出峰时间及色谱峰宽确定收取各个组分的时间区段，以获得高纯度的铀及镧系元素。

5、进一步的，上述从铀及镧系元素混合物中分离制备铀及镧系元素的方法，其中，所述的离子交换型硅胶填料的键合相为含有烷基链的苯磺酸或2-羟基氧丙基磺酸基团，所述的螯合硅胶填料1的键合相为含有全氟代烷基链的β-二酮型螯合基团，所述的螯合硅胶填料2的键合相为氨基三乙酸基团。

6、进一步的，上述从铀及镧系元素混合物中分离制备铀及镧系元素的方法，其中，所述固定相填料的颗粒大小为2～100μm，孔径比表面积大小为50～1000m2/g。

7、进一步的，上述从铀及镧系元素混合物中分离制备铀及镧系元素的方法，其中，所述的色谱柱规格为φ4.6～200mm，固定相填料的装填高度50～500mm。

8、进一步的，上述从铀及镧系元素混合物中分离制备铀及镧系元素的方法，其中，所述的色谱柱的载样量为十分之一到百万分之一。

9、进一步的，上述从铀及镧系元素混合物中分离制备铀及镧系元素的方法，其中，所述的离子交换型硅胶填料所用流动相为有机酸水溶液；螯合硅胶填料1所用流动相为有机酸和无机酸的甲醇/水溶液，即溶剂为甲醇和水的混合物，溶质为有机酸和无机酸中的一类或二类；螯合硅胶填料2所用流动相为无机酸的水溶液。

10、进一步的，上述从铀及镧系元素混合物中分离制备铀及镧系元素的方法，其中，所述有机酸为α-羟基异丁酸(α-hiba)和2-羟基-2-甲基丁酸(hmba)中的一种或二种，所述无机酸为硝酸、硫酸、盐酸和磷酸中的至少一种。

11、进一步的，上述从铀及镧系元素混合物中分离制备铀及镧系元素的方法，其中，所述离子色谱填料所用流动相中有机酸浓度为10～400mm，ph范围为2.2～6.5；所述螯合硅胶填料1所用流动相中有机酸浓度为10～200mm，无机酸浓度为0.1～200mm；所述螯合硅胶填料2所用流动相中无机酸浓度为10～200mm。

12、进一步的，上述从铀及镧系元素混合物中分离制备铀及镧系元素的方法，其中，所述流动相的流速为0.20～40ml/min。

13、进一步的，上述从铀及镧系元素混合物中分离制备铀及镧系元素的方法，其中，所述分离进行的温度为15～70℃。

14、进一步的，上述从铀及镧系元素混合物中分离制备铀及镧系元素的方法，其中，所述三通阀的分流比例可做到在1:1～1:1000(v/v)范围内按需变动。

15、进一步的，上述从铀及镧系元素混合物中分离制备铀及镧系元素的方法，其中，所述检测器为改造的电感耦合等离子体发射光谱仪(icp-oes)和紫外-可见光检测器中的一种或二种。

16、技术优势：

17、1、本发明提出的分离纯化铀及镧系元素的方法不仅适用于一般性的铀及镧系元素的分离纯化，也适用于发射性铀及其裂变产物中的放射性镧系元素的分离纯化。

18、2、本发明提出的分离纯化铀及镧系元素的方法，仅使用单根色谱柱，通过一次或两次色谱分离过程即可获得高纯度的铀及镧系元素，纯度都可达到99.9％。

19、3、本发明提出的分离纯化铀及镧系元素的方法指标先进：分析速度快(<50min)、灵敏度高(ppb级别)、制备纯度高(>99.9％)、检出限低(0.03μg/l)、分离度大(≥2.2)，且由于使用了实时监测流出液的方式，可准确收集各个已分离组分，保证了产品的纯度，同时避免了高价值组分的流失。