硼同位素分离技术——离子交换法

离子交换法是离子交换树脂上的交换基团与硼酸发生同位素交换反应，从而实现硼同位素的分离的技术。虽然分离硼同位素的树脂有很多种类，但分离原理基本都基于式①,即B(OH)₃与B(OH)^4-发生同位素交换反应，而溶液中主要是B(OH)₃，因为硼酸酸性很弱，几乎不发生酸的电离反应，而B(OH)^4-主要存在于固定相中，从而实现硼同位素的富集。树脂吸附饱和后，用相应的洗脱剂洗脱，从而得到分离的硼同位素产品。

同位素交换反应的单级分离因子S定义，如下式②所示。S值越大，表示分离效率越高。

根据树脂的类型，可分为强碱性阴离子交换树脂、弱碱性阴离子交换树脂和硼树脂。

1）强碱性阴离子交换树脂

日本东京大学化学系1959年使用强碱性阴离子交换树脂离子交换法对硼同位进行分离，测得S值为1.016。1971年，法国Isobor公司使用强碱性阴离子交换树脂作为固定相，设计了一套分离硼同位素的工业生产装置，得到丰度90%的¹⁰B产品年产量200kg，¹¹B产品年产量800kg，但具体的工艺设计不详。

但强碱性阴离子交换树脂法需要消耗大量的洗脱剂（通常为盐酸）来获得硼同位素产品,产品浓度低,蒸发溶液能耗高，同时树脂再生也需要使用大量的树脂再生剂，从而使得生产成本比较高,大大限制了其在工业上的广泛应用。

2）弱碱性阴离子交换树脂

弱碱性阴离子交换树脂在工业上应用的更大优点是，不需要用其他昂贵复杂的洗脱剂，用纯水洗脱树脂即可将其恢复到原来状态，大大节约了成本，同时省去了树脂再生操作，简单易行，但由于弱碱性阴离子交换树脂的树脂相中只有比较少的B(OH)^4-结合位点，使得这种方法的分离效果不是很好，S值仅仅只有1.01左右，是三种树脂中最小的一种。由于该方法处理量小，工业化困难等缺点而未能获得广泛应用。

3）硼树脂

1997年，日本上智大学研究人员发现硼树脂对于硼酸有着特殊的亲和力，使用Diaion CRB 02和Amberlite IRA 743两种硼树脂用来进行硼同位素的分离，在25℃时,得到的分离系数S介于1.018到1.022之间，稍大于采用强碱性或弱碱性树脂所得到的S值。

我国天津大学最新的研究IRA743硼树脂、CL-RESIN树脂和NCL-RESIN硼树脂的结果表明，在20℃，pH=4的实验条件下，硼酸在IRA 743树脂上的更大分离因子S可达1.0277；在反应温度为25℃，硼酸浓度为0.01 molL^-1的静态实验条件下，得到CL-RESIN树脂和NCL-RESIN树脂的分离因子S分别为1.080和1.140。

强碱性阴离子交换树脂虽然分离因子较大，但洗脱和再生过程复杂，成本较高。弱碱性阴离子交换树脂直接使用纯水作为洗脱剂，而且几乎不需要对树脂进行再生，但得到的分离因子小。硼树脂具有较大的S值，再生操作也相对容易，有可能成为有效的硼同位素分离物质。