利川硼同位素分離技術(shù)——離子交換法

離子交換法是離子交換樹脂上的交換基團(tuán)與硼酸發(fā)生同位素交換反應(yīng)，從而實現(xiàn)硼同位素的分離的技術(shù)。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(fā)生同位素交換反應(yīng)，而溶液中主要是B(OH)₃，因為硼酸酸性很弱，幾乎不發(fā)生酸的電離反應(yīng)，而B(OH)^4-主要存在于固定相中，從而實現(xiàn)硼同位素的富集。樹脂吸附飽和后，用相應(yīng)的洗脫劑洗脫，從而得到分離的硼同位素產(chǎn)品。

同位素交換反應(yīng)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(jù)樹脂的類型，可分為強(qiáng)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(qiáng)堿性陰離子交換樹脂

日本東京大學(xué)化學(xué)系1959年使用強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂離子交換法對硼同位進(jìn)行分離，測得S值為1.016。1971年，法國Isobor公司使用強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂作為固定相，設(shè)計了一套分離硼同位素的工業(yè)生產(chǎn)裝置，得到豐度90%的¹⁰B產(chǎn)品年產(chǎn)量200kg，¹¹B產(chǎn)品年產(chǎn)量800kg，但具體的工藝設(shè)計不詳。

但強(qiáng)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(chǎn)品,產(chǎn)品濃度低,蒸發(fā)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(chǎn)成本比較高,大大限制了其在工業(yè)上的廣泛應(yīng)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(yè)上應(yīng)用的更大優(yōu)點是，不需要用其他昂貴復(fù)雜的洗脫劑，用純水洗脫樹脂即可將其恢復(fù)到原來狀態(tài)，大大節(jié)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(jié)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(yè)化困難等缺點而未能獲得廣泛應(yīng)用。

3）硼樹脂

1997年，日本上智大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)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(jìn)行硼同位素的分離，在25℃時,得到的分離系數(shù)S介于1.018到1.022之間，稍大于采用強(qiáng)堿性或弱堿性樹脂所得到的S值。

我國天津大學(xué)最新的研究IRA743硼樹脂、CL-RESIN樹脂和NCL-RESIN硼樹脂的結(jié)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(dá)1.0277；在反應(yīng)溫度為25℃，硼酸濃度為0.01 molL^-1的靜態(tài)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(qiáng)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(fù)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?guī)缀醪恍枰獙渲M(jìn)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(zhì)。