硼同位素分离过程的计算化学研究

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1、硼同位素分离过程的计算化学研究ComputationalStudyofBoronIsotopicSeparationProcesses学科专业：制药工程作者姓名：周帆指导教师：白鹏教授天津大学化工学院二零一七年五月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书

2、本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要高纯度的硼同位素产品在核电、医疗、军事等方面的应用日益广泛。开发具有我国自主知识产权的硼同位素分离技术具有重要的研究意义和实用价值，而理论研究的缺乏日益成为开拓此技术的瓶颈。本文运用量子化学和分子模拟的方法探讨了化学交换精馏法、离子交换

3、色谱法和金属-有机骨架（MOFs）吸附法三种硼同位素分离过程的分离机理和分离因子，其中金属-有机骨架吸附法是本文首次提出的一种硼同位素分离方法。在化学交换精馏法中，首先通过能量分解分析、自然键轨道分析等方法研究了络合物中三氟化硼与络合剂之间的电子传递情况，得出分离因子的大小与硼和氧之间的相互作用力的大小成反比的的结论。然后，运用大量的量子化学方法和基组进行试验，结果表明，用M06-2X/6-31G(d,p)的方法来计算络合反应焓变和分离因子，误差都比较小。最后，创新性地将SMD溶剂化模型引入到分离因子的计算中，使得五种络合剂体系分离因子的相对误差值都降到10.8%以内，计

4、算结果与实际结果较为符合。在离子交换色谱法中，本文以AmberliteIRA-743树脂为例，首次用量子化学的方法来计算硼特效树脂的分离因子。结果发现，HF/6-31G方法计算的结果最为准确。在此方法下，预测了多种硼特效树脂官能团的分离因子，得出苯酚类和羧酸类官能团的分离因子比醇类大的结论，为基于离子交换色谱法分离硼同位素新材料的研发指明了方向。在MOFs吸附法中，分析了硼酸在MIL-101(Cr)上的吸附位点，截取金属团簇模型，运用不同的量子化学方法计算分离因子。结果显示，随着基组的变化，分离因子最终趋向于1.050（一取代反应）和1.076（二取代反应），初步建立了M

5、IL-101(Cr)上硼吸附的理论模型。关键词：硼同位素，分离，量子化学，化学交换精馏，离子交换色谱，金属-有机骨架IIIABSTRACTHigh-purityboronisotopesarewidelyusedinthefieldsofnuclear,medical,militaryandsoon.Sothedevelopmentofboronisotopicproductiontechnologywithindependentintellectualpropertyrightshasimportantresearchsignificanceandpracticalva

6、lue.However,thelackoftheoreticalresearchinthisprocessisbecomingthebottleneck.Inthispaper,weusequantumchemistryandmolecularsimulationmethodstoresearchthemechanismsandseparationfactors(S)inthreeboronisotopicseparationprocesses.Theyarechemicalexchangedistillation,ion-exchangechromatographyan

7、dmetal-organicframeworks(MOFs)adsorption,amongwhichthethirdoneisfirstproposedinthispaper.Inthechemicalexchangedistillationmethod,resultsfromenergydecompositionanalysisandnaturalbondorbitalanalysisshowthatthevalueofseparationfactorisinverselyproportionaltotheinteract