基于镓阴极沉积与4A分子筛吸附协同的放射性熔盐中镧系元素高效净化技术研究

为解决核燃料干法后处理中镧系裂变产物(Ln)选择性分离难题，中科院团队创新性提出电解-吸附协同净化策略。研究通过Ga阴极电位调控实现Er(III)选择性沉积(效率92.57%)，结合4A分子筛高温吸附使总去除率达99.99%，突破传统电解工艺电流效率衰减瓶颈，为放射性熔盐(LiCl-KCl)循环利用提供关键技术支撑。

　　

随着全球能源结构向低碳转型，核能作为高能量密度、零碳排放的清洁能源备受关注。然而，核燃料循环过程中产生的放射性废物处理成为制约行业发展的关键瓶颈，特别是乏燃料中镧系元素(Ln)与锕系元素(An)的分离难题长期困扰着科研人员。传统水法后处理存在流程复杂、二次废物量大等缺陷，而熔盐电解干法处理虽具有设备紧凑、适应性强等优势，却面临电流效率衰减和微量Ln残留影响熔盐回用的双重挑战。

针对这一重大需求，中国研究人员在《Separation and Purification Technology》发表创新成果。该团队开创性地将电化学沉积与分子筛吸附技术耦合，通过系统研究Er(III)在LiCl-KCl熔盐体系中的电化学行为，发现Ga阴极可通过形成Ga-Er金属间化合物实现选择性提取。实验采用循环伏安法(CV)、方波伏安法(SWV)等电化学表征手段，结合X射线衍射(XRD)对沉积产物进行分析，证实电位控制在-1.90V时Er沉积效率最优。更突破性的是，后续引入4A分子筛高温吸附处理，其规整孔道结构可捕获残留Ln离子，使总去除率提升至99.99%。在模拟多Ln体系实验中，所有测试元素去除率均超过93%，其中铀/镧分离因子达14000，显著优于传统方法。

关键技术路线包含：1) 采用三电极体系进行熔盐电化学测试；2) 应用恒电位电解法在Ga阴极沉积Er；3) 利用4A分子筛进行高温吸附纯化。研究团队特别关注工艺的经济性，选择熔点为29.8℃的液态Ga既保证分离效率又降低能耗，而分子筛的可再生特性进一步减少运行成本。

【材料与试剂】

通过真空干燥和预电解纯化熔盐，确保体系含水量低于200ppm。结构表征显示4A分子筛具有4?均一孔径的球形形貌，为高温吸附奠定基础。

【电化学过程分析】

CV曲线在-2.40V出现Li沉积峰(A/A')，-1.90V处新出现的B/B'对应Er(III)/Er(0)氧化还原对。SWV测定显示Er(III)还原为单电子转移过程，扩散系数达1.25×10^-5 cm²/s。开路电位(OCP)监测证实Ga-Er合金形成电位较纯Er正移0.38V，证实合金化降低沉积过电位。

【分子筛吸附性能】

在773K条件下，4A分子筛对电解后熔盐中残留Er的吸附容量达28.7mg/g。X射线光电子能谱(XPS)显示吸附后Er3d特征峰消失，证实其被完全捕获。对比实验表明，联合工艺较单独电解处理的总Ln去除率提升两个数量级。

【结论与意义】

该研究通过电解-吸附"双保险"策略成功解决熔盐纯化两大核心问题：1) Ga阴极电位调控实现Ln/An高效分离；2) 分子筛吸附克服电解后期效率下降缺陷。相比传统工艺，新方法使LiCl-KCl熔盐回用率提升80%，预计可降低干法后处理成本35%以上。这项由Fangru Song、Yingcai Wang等学者完成的工作，不仅为第四代钍基反应堆燃料循环提供关键技术支撑，其首创的"电化学筛分+分子捕获"协同机制更为其他高放废液处理提供了普适性方法学参考。