Nanoscopic structures for separating radioactive metal ions in liquid-liquid extraction

用于液液萃取中分离放射性金属离子的纳米结构

• 批准号: 22H02010
• 负责人: 元川 竜平
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: Japan Atomic Energy Agency
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H02010/
• 关键词: 化学分離; ナノ構造; 中性子小角散乱; 中性子反射率; 中性子反射率測定; クラスター; 溶媒抽出; 中性子散乱; 分離; 小角散乱

水相と油相間の物質移動を利用する液－液抽出分離において、複数の溶質分子がつくるナノサイズの集合構造と金属イオンの分離挙動の解明に着目した研究を進めた。４価のジルコニウムイオンを用いて核燃料再処理プロセスを模擬した分離システムについて、中性子小角散乱測定とX線吸収広域微細構造測定を行ったところ、油相中では硝酸ジルコニウムとリン酸トリブチル（TBP）による抽出錯体がクラスター構を形成することが明らかにされていた。このクラスター形成には、水素結合を中心とした分子間力が作用していると考えられていたが、それだけではクラスターを形成する抽出錯体の会合数を決定する因子や、硝酸、水分子の関与を明らかにすることができなかった。この点を明らかにするため、英国マンチェスター大学のAndrew Masters教授と共同で密度汎関数理論（DFT）計算と分子動力学（MD）計算を用いた検討を行った。その結果、抽出錯体のクラスター形成には、錯体の立体異性体の寄与を考慮する必要があることを明らかした。中心金属に対するTBPの配位方向が対象であればトランス体、非対称であればシス体になるが、シス体はトランス体よりも疎水部が表面に露出するためクラスターを形成しやすい傾向を示した。トランス体とシス体で、１錯体の自由エネルギーに大きな差は現れなかったが、クラスター形成時には十分なエネルギー差が生じることが示唆された。今後、構造科学的実験結果との比較に加え、金属イオンの分離特性との関係を詳細に考察する必要がある。また、液－液界面とバルク油相内においてマロンアミド化合物がつくるナノ構造が、金属イオンの分離速度と分離選択性に与える影響についても検討を行っている。ここでは、重水素化マロンアミドの合成方法を確立することに成功している。次年度以降の中性子反射率測定を用いた構造解析にこれらの物質が利用される。

研究的重点是阐明由多个溶质分子产生的纳米大小的聚集体结构以及在液 - 液体提取分离中金属离子的分离行为，这些分离利用了水相和油相之间的质量转移。通过中子小角度散射测量和宽面积的微观结构测量，使用四维体锆离子模拟核燃料再处理过程的分离系统，并发现在石油相中，用硝酸盐和硝酸二氮酸二磷酸盐（TBP）（TBP）提取了石油相。据认为，以氢键为中心的分子间力在这种簇形成中起作用，但是仅此一项就无法揭示确定形成簇的提取复合物的关联数，或者是硝酸和水分子的参与的因素。为了澄清这一点，我们使用密度功能理论（DFT）和分子动力学（MD）计算与英国曼彻斯特大学的安德鲁·马斯特斯（Andrew Masters）教授进行了一项研究。结果，已经表明，必须考虑到提取的复合物簇的形成，必须考虑复合物的立体异构体的贡献。如果TBP相对于中央金属的协调方向是靶标，则反式体是顺式体，如果它是不对称的，则顺式体更可能形成簇，但是顺式体的疏水部分暴露于表面，而不是反式体。尽管反式和顺式体之间，一个复合物的自由能没有显着差异，但建议在形成簇时发生足够的能量差异。将来，除了将其与结构性科学实验结果进行比较之外，还必须详细考虑与金属离子的分离特性的关系。此外，Maronamide化合物在液态液体界面以及大块油相中产生的纳米结构对金属离子的分离速率和分离选择性的影响。在这里，已成功建立了一种合成氘化毛量的方法。这些材料将在明年以来使用中子反射率测量结果用于结构分析。

项目成果

フランス原子力庁(CEA), マルクール分離化学研究所(ICSM)/フランス国立科学研究センター(CNRS)/モンペリエ大学(フランス)

法国原子能机构 (CEA)、马库分离化学研究所 (ICSM)/法国国家科学研究中心 (CNRS)/蒙彼利埃大学（法国）

マンチェスター大学(英国)

曼彻斯特大学（英国）

Deuterated Malonamide Synthesis for Fundamental Research on Solvent Extraction Systems

用于溶剂萃取系统基础研究的氘代丙二酰胺合成

• DOI: 10.1080/07366299.2023.2166351
• 发表时间: 2023
• 期刊: Solvent Extraction and Ion Exchange
• 影响因子: 2
• 作者: Micheau Cyril;Ueda Yuki;Akutsu-Suyama Kazuhiro;Bourgeois Damien;Motokawa Ryuhei
• 通讯作者: Motokawa Ryuhei

抽出錯体溶液のつくる階層構造とそのナノ構造解析

提取复杂溶液产生的层次结构及其纳米结构分析

• 发表时间: 2022
• 作者: Okada Go;Ikenaga Noriaki;Koguchi Yasuhiro;Yanagida Takayuki;Kasap Safa;Nanto Hidehito;元川竜平
• 通讯作者: 元川竜平

コロラド鉱山大学(米国)

科罗拉多矿业学院（美国）