一种硼-10和硼-11的分离提纯的方法技术

本发明专利技术涉及同位素分离制备技术领域，公开了一种硼‑10和硼‑11的分离提纯的方法，包括以下三个步骤：模拟移动床进样液的制备、离子交换色谱柱的预处理和进样及梯度洗脱；按照该方法，

A Method for Separation and Purification of Boron-10 and Boron-11

【技术实现步骤摘要】
一种硼-10和硼-11的分离提纯的方法
本专利技术涉及同位素分离制备
，具体涉及一种硼-10和硼-11的分离提纯的方法。
技术介绍
自然界硼有两种稳定的同位素10B和11B，其天然丰度分别为19.9％和80.1％。10B的热中子俘获截面远大于11B，因此在核工业中10B被广泛地应用于制造热中子计数管、反应堆控制棒和热中子屏蔽材料，并在医学上用于治疗神经胶质瘤和黑色素瘤。但在这些场合，均要求10B的丰度达到85％以上，甚至更高，如何将10B从天然硼中分离出来，得到高浓度的10B产品，是世界各国10B生产厂家和科技人员共同关注的问题。现有的硼同位素分离的方法包括：BF3低温蒸馏法、热扩散法、化学交换精馏法、离子交换色谱法、电磁法、萃取法等。化学交换精馏法具有较高的单级硼同位素分馏系数(1.03左右)，达到了工业化生产规模，但它的缺点是设备投资大、能量消耗高、防护要求严。人们一直在努力探索新的用于取代化学交换精馏分离硼同位素的方法。这其中，采用有机离子交换树脂分离硼同位素的离子交换色谱法，具有高效节能和安全性高的特点，是一种极具潜力的硼同位素分离方法，也是最有可能替代化学交换精馏分离硼同位素的一种方法。与化学精馏法相比，离子交换树脂法分离硼同位素要想达到85％以上的10B丰度，往往需要很长的色谱柱，花费相当长的时间，大幅增加了生产成木。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种硼-10和硼-11的分离提纯的方法，按照该方法，10B的富集可由天然的约20％富集到约95％，富集速度快，同时采用模拟移动床色谱分离系统，使得整个分离过程中不需要很长的色谱柱，降低了生产成本，同时采用梯度洗脱，从而缩短了谱带迁移距离及分离周期的目的。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种硼-10和硼-11的分离提纯的方法，包括如下步骤：步骤一、模拟移动床进样液的制备：称取硼酸固体溶于纯水中，配置成含有硼同位素浓度为0.1～0.5mol/L的硼酸水溶液，用盐酸调节PH值到2～6；向硼酸水溶液中加入1.0～5.0g/L的二元醇或多元醇，二元醇或多元醇会和硼酸形成复合物，从而提高硼酸的酸性，促进其电离，增大单级分离因子，之后用滤膜过滤，除去溶液中的杂质，再用超声脱气10-15min，得到模拟移动床的进样液；步骤二、离子交换色谱柱的预处理：首先采用湿法装柱，所述离子交换色谱柱内填充的是硼特效树脂，将所述色谱柱装载在模拟移动床色谱分离系统的模拟移动床上，运行温度为20～30℃，使树脂柱处于恒温状态，单级分离因子S是评价离子交换色谱对硼同位素分离过程优劣的重要参数，S值越大，设备和操作费用也越少，就更易于在工业生产上实现，研究表明，低温时分离因子S值更大，这与同位素的平衡效应是一致的，但是温度太低时，同位素交换反应会进行得很慢，也不利于10B从树脂上的洗脱，用去离子水将硼特效树脂浸泡24h，然后用3～5倍体积0.1mol/L的盐酸进行洗涤，将树脂处理为氯型树脂，再用去离子水洗至中性；再用3～5倍体积0.1mol/L氢氧化钠溶液进行洗涤，将树脂处理成氢氧型树脂，本专利技术使用硼特效树脂，在使用前对其进行预处理，其目的一方面是为了除去树脂表面的杂物比如某些低聚物、溶剂或其它杂质等以增强树脂的吸附交换效果；另一方面是为了活化树脂，从而将树脂处理成预期的氢氧型树脂；步骤三、进样及梯度洗脱：将所述步骤一中得到的进样液以0.6cm/min的线速度泵入到步骤二中的色谱柱中，对所述色谱柱进行进料吸附；同时，将强酸水溶液泵入到所述色谱柱中，梯度洗脱硼特效树脂，梯度洗脱是指在色谱分离过程中，通过不断改变洗脱液的浓度和/或流速，改变洗脱液的极性，从而使样品中的目标组分在最短时间内实现最快分离的操作方式，所述强酸水溶液的浓度变化为每小时浓度增加0.03-0.5mol/L，所述强酸水溶液的流速变化为每小时增加0.01-0.5BV/h；模拟移动床系统达到平衡状态后，在模拟移动床的萃取口收集富集同位素10B的浓缩硼酸溶液。在本专利技术中，优选的，所述步骤三中，在所述进样之后，梯度洗脱之前增加醇洗脱操作：将二元醇或多元醇配置成1.0～5.0g/L的醇水溶液，使用1～3倍体积的醇水溶液，以0.05-0.2cm/min的线速度泵入到所述步骤二中的色谱柱中，再次使硼酸充分电离，以加强分离效果。在本专利技术中，优选的，所述步骤一中的二元醇或多元醇为乙二醇或丙二醇或葡萄糖或甘露醇中的一种。在本专利技术中，优选的，所述步骤二中的硼特效树脂为AmberliteIRA743树脂或ZXC700树脂或XSC800树脂或D564树脂或DiaionCRB02树脂中的一种或至少两种的组合；所述步骤二中的硼特效树脂的颗粒大小为60～80目。在本专利技术中，优选的，所述步骤二在用去离子水洗过程时，以提高水洗效率，采用真空泵抽滤的方法，抽滤时压力为0.04MPa～0.06MPa，IRA743树脂在此压力下能保持性能稳定，因此抽滤方法可行。在本专利技术中，优选的，所述步骤三中的强酸水溶液包括盐酸水溶液、硝酸水溶液或硫酸水溶液中的任意一种或至少两种的组合。在本专利技术中，优选的，所述步骤二中的模拟床设置为Ⅰ～Ⅳ个区；其中Ⅱ区由15～20支色谱柱组成，Ⅰ区和Ⅲ区各由2支色谱柱组成，Ⅳ区由0～2支色谱柱组成。在本专利技术中，优选的，所述步骤二中的模拟床设定Ⅰ区流速为51cm/h～85cm/h；Ⅱ区流速为45cm/h～76cm/h；Ⅲ区流速为46cm/h～84cm/h；Ⅳ区流速为0cm/h～5cm/h；设定端口切换时间为1.5h～20h。在本专利技术中，优选的，设定端口切换时间Ⅰ区到Ⅱ区为3h，Ⅱ区到Ⅲ区为20h，Ⅲ区到Ⅳ区15h，Ⅳ区到Ⅰ区为2h。在本专利技术中，优选的，所述Ⅰ区和Ⅲ区各由2支ZXC700树脂色谱柱组成，ZXC700硼选择性螯合树脂是一种苯乙烯和二乙烯苯交联的，具有N-甲基葡萄糖胺基的大孔结构螯合树脂，这种化学结构在官能团中具有多价醉基部分与硼之间生成络合阴离子，其胺基部分作为阴离子交换基捕捉生成的络合阴离子，从而选择吸附硼离子。这种树脂不受大量共存盐类的影响。同时反应对pH值很敏感，Ⅱ区由20支AmberliteIRA743树脂色谱柱组成，AmberliteIRA743树脂为硼特效配位吸附树脂，对硼酸具有高度的选择性，硼酸的吸附量基本上不受溶液中其他的离子的影响，Ⅳ区由1支D564树脂色谱柱组成，D564在复杂体系中对硼具有高选择性，在模拟移动床不同区域使用不同的树脂色谱柱，结合不同树脂的优点，使得硼酸水溶液分离效果更好。离子交换色谱分离硼同位素，是基于流动相(硼酸溶液)与固定相(离子交换树脂)上的离子交换基团之间发生的离子交换过程。其主要操作包括：选择合适的树脂填充到色谱柱中，在柱子顶部加入硼酸溶液，柱底收集硼酸废液。由于10B更易于与树脂结合，所以在树脂相中，10B的丰度会逐渐升高，待树脂达到饱和后，使用一定的洗脱剂将吸附硼从树脂上洗脱下来，从而得到富集10B的洗脱液。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术的采用梯度洗脱，解决了恒定浓度的洗脱液在硼同位素分离技术中存在的，10B产品产率低、分离流量小、谱带迁移距离长，分离周期长等问题；按照该方法，10B的富集可由天然的约20％富集到约95％本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硼‑10和硼‑11的分离提纯的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、模拟移动床进样液的制备：称取硼酸固体溶于纯水中，配置成含有硼同位素浓度为0.1～0.5mol/L的硼酸水溶液，用盐酸调节PH值到2～6；向硼酸水溶液中加入1.0～5.0g/L的二元醇或多元醇，之后用滤膜过滤，除去溶液中的杂质，再用超声脱气10‑15min，得到模拟移动床的进样液；步骤二、离子交换色谱柱的预处理：所述离子交换色谱柱内填充的是硼特效树脂，将所述色谱柱装载在模拟移动床色谱分离系统的模拟移动床上，运行温度为20～30℃，用去离子水将硼特效树脂浸泡24h，然后用3～5倍体积0.1mol/L的盐酸进行洗涤，将树脂处理为氯型树脂，再用去离子水洗至中性；再用3～5倍体积0.1mol/L氢氧化钠溶液进行洗涤，将树脂处理成氢氧型树脂；步骤三、进样及梯度洗脱：将所述步骤一中得到的进样液以0.6cm/min的线速度泵入到步骤二中的色谱柱中，对所述色谱柱进行进料吸附；同时，将强酸水溶液泵入到所述色谱柱中，梯度洗脱硼特效树脂，所述强酸水溶液的浓度变化为每小时浓度增加0.03‑0.5mol/L，所述强酸水溶液的流速变化为每小时增加0.01‑0.5BV/h；模拟移动床系统达到平衡状态后，在模拟移动床的萃取口收集富集同位素...

【技术特征摘要】
1.一种硼-10和硼-11的分离提纯的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、模拟移动床进样液的制备：称取硼酸固体溶于纯水中，配置成含有硼同位素浓度为0.1～0.5mol/L的硼酸水溶液，用盐酸调节PH值到2～6；向硼酸水溶液中加入1.0～5.0g/L的二元醇或多元醇，之后用滤膜过滤，除去溶液中的杂质，再用超声脱气10-15min，得到模拟移动床的进样液；步骤二、离子交换色谱柱的预处理：所述离子交换色谱柱内填充的是硼特效树脂，将所述色谱柱装载在模拟移动床色谱分离系统的模拟移动床上，运行温度为20～30℃，用去离子水将硼特效树脂浸泡24h，然后用3～5倍体积0.1mol/L的盐酸进行洗涤，将树脂处理为氯型树脂，再用去离子水洗至中性；再用3～5倍体积0.1mol/L氢氧化钠溶液进行洗涤，将树脂处理成氢氧型树脂；步骤三、进样及梯度洗脱：将所述步骤一中得到的进样液以0.6cm/min的线速度泵入到步骤二中的色谱柱中，对所述色谱柱进行进料吸附；同时，将强酸水溶液泵入到所述色谱柱中，梯度洗脱硼特效树脂，所述强酸水溶液的浓度变化为每小时浓度增加0.03-0.5mol/L，所述强酸水溶液的流速变化为每小时增加0.01-0.5BV/h；模拟移动床系统达到平衡状态后，在模拟移动床的萃取口收集富集同位素10B的浓缩硼酸溶液。2.据权利要求1所述的一种硼-10和硼-11的分离提纯的方法，其特征在于，所述步骤三中，在所述进样之后，梯度洗脱之前增加醇洗脱操作：将二元醇或多元醇配置成1.0～5.0g/L的醇水溶液，使用1～3倍体积的醇水溶液，以0.05-0.2cm/min的线速度泵入到所述步骤二中的色谱柱中。3.据权利要求1所述的一种硼-10和硼-11的分离提纯的方法，其特征在于，所述步骤一中的二元醇或多元醇为乙二醇或丙二醇或葡萄...

【专利技术属性】
技术研发人员：张爱晶，刘天弘，
申请(专利权)人：天津纯态化学工程技术有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12