克拉瑪依硼同位素分離技術——離子交換法

離子交換法是離子交換樹脂上的交換基團與硼酸發生同位素交換反應，從而實現硼同位素的分離的技術。雖然分離硼同位素的樹脂有很多種類，但分離原理基本都基于式①,即B(OH)₃與B(OH)^4-發生同位素交換反應，而溶液中主要是B(OH)₃，因為硼酸酸性很弱，幾乎不發生酸的電離反應，而B(OH)^4-主要存在于固定相中，從而實現硼同位素的富集。樹脂吸附飽和后，用相應的洗脫劑洗脫，從而得到分離的硼同位素產品。

同位素交換反應的單級分離因子S定義，如下式②所示。S值越大，表示分離效率越高。

根據樹脂的類型，可分為強堿性陰離子交換樹脂、弱堿性陰離子交換樹脂和硼樹脂。

1）強堿性陰離子交換樹脂

日本東京大學化學系1959年使用強堿性陰離子交換樹脂離子交換法對硼同位進行分離，測得S值為1.016。1971年，法國Isobor公司使用強堿性陰離子交換樹脂作為固定相，設計了一套分離硼同位素的工業生產裝置，得到豐度90%的¹⁰B產品年產量200kg，¹¹B產品年產量800kg，但具體的工藝設計不詳。

但強堿性陰離子交換樹脂法需要消耗大量的洗脫劑（通常為鹽酸）來獲得硼同位素產品,產品濃度低,蒸發溶液能耗高，同時樹脂再生也需要使用大量的樹脂再生劑，從而使得生產成本比較高,大大限制了其在工業上的廣泛應用。

2）弱堿性陰離子交換樹脂

弱堿性陰離子交換樹脂在工業上應用的更大優點是，不需要用其他昂貴復雜的洗脫劑，用純水洗脫樹脂即可將其恢復到原來狀態，大大節約了成本，同時省去了樹脂再生操作，簡單易行，但由于弱堿性陰離子交換樹脂的樹脂相中只有比較少的B(OH)^4-結合位點，使得這種方法的分離效果不是很好，S值僅僅只有1.01左右，是三種樹脂中最小的一種。由于該方法處理量小，工業化困難等缺點而未能獲得廣泛應用。

3）硼樹脂

1997年，日本上智大學研究人員發現硼樹脂對于硼酸有著特殊的親和力，使用Diaion CRB 02和Amberlite IRA 743兩種硼樹脂用來進行硼同位素的分離，在25℃時,得到的分離系數S介于1.018到1.022之間，稍大于采用強堿性或弱堿性樹脂所得到的S值。

我國天津大學最新的研究IRA743硼樹脂、CL-RESIN樹脂和NCL-RESIN硼樹脂的結果表明，在20℃，pH=4的實驗條件下，硼酸在IRA 743樹脂上的更大分離因子S可達1.0277；在反應溫度為25℃，硼酸濃度為0.01 molL^-1的靜態實驗條件下，得到CL-RESIN樹脂和NCL-RESIN樹脂的分離因子S分別為1.080和1.140。

強堿性陰離子交換樹脂雖然分離因子較大，但洗脫和再生過程復雜，成本較高。弱堿性陰離子交換樹脂直接使用純水作為洗脫劑，而且幾乎不需要對樹脂進行再生，但得到的分離因子小。硼樹脂具有較大的S值，再生操作也相對容易，有可能成為有效的硼同位素分離物質。