铀矿冶炼废水富含铊（Tl）、钍（Th）和铀（U）等有毒有害元素,严重危害环境和人类健康。以磷酸酯类和烷基胺类为主要萃取剂的常规分离萃取法虽能分离部分Tl、Th和U,但其分离效率仍未达相关规定的要求;铀矿冶炼废水中Tl、Th和U的浓度是背景值的两个数量级以上,存在环境放射性污染。开发高效、环保和可靠的分离萃取技术分离回收铀矿冶炼废水中富含的Tl、Th和U等极为迫切。本论文以铀矿冶炼废水中常见元素Tl、Th和U为主要研究对象,对其赋存形态、配位形式、萃取分离机理和回收方法进行深入研究,构建聚乙二醇-硫酸铵（PEG-（NH4）2SO4）高效的双水相萃取体系。该体系充分利用了Tl、Th和U的物理化学差异性,如不同分配比和价态的变化等,有效实现了Tl、Th和U的分离回收,为铀矿冶炼废水无害化处理和资源化回收开辟新道路。本研究获得的结果主要有:（1）PEG-（NH4）2SO4双水相萃取体系抗干扰能力强,可分离萃取Tl（I）、Th（Ⅳ）和U（Ⅵ）。相平衡研究发现硫酸铵适合作为PEG分相的盐析剂,可有效去除铀矿山冶炼废水中的Sr2+、Pb2+、Ca2+和Ba2+等离子,避免了其对双水相体系萃取Tl（Ⅰ）、Th（Ⅳ）和U（Ⅵ）的干扰。此外,随着PEG分子量的增加、体系温度升高和体系组成增加,两相组成差异增大,体系分相的能力增强,证实PEG-（NH4）2SO4双水相萃取体系抗干扰能力强,可有效分离萃取Tl（Ⅰ）、Th（Ⅳ）和U（Ⅵ）。（2）Tl、Th和U的水化学差异性主导逐级分离效能。对萃取过程的参数（废水p H、配体、氧化剂、还原剂、共存离子、有机质和温度等）研究表明,Tl（Ⅲ）比Tl（Ⅰ）更容易和氯离子络合形成“结合态”而利于被双水相体系萃取;在一定p H值中,Th（Ⅳ）、U（Ⅵ）与配位剂配位生成疏水性螯合物而有利于被双水相系统萃取;共存的K+抑制Tl（Ⅰ）和Th（Ⅳ）的萃取,Ca2+抑制Th（Ⅳ）的萃取;共存有机质促进U（Ⅵ）的萃取,但不利于Tl（Ⅰ）和Th（Ⅳ）的萃取。在一定温度下,升温或升高p H会导致Tl（Ⅲ）、Th（Ⅳ）和U（Ⅵ）水解生成亲水性物质或氢氧化物沉淀而利于其反萃;因为亚硫酸钠具有碱性和还原性的作用而有利于Tl（Ⅲ）和U（Ⅵ）的反萃。利用Tl、Th和U的水化学差异性可实现它们的逐级分离。（3）温度影响Tl、Th和U双水相萃取和分离。Tl（Ⅲ）、Th（Ⅳ）和U（Ⅵ）在双水相体系的相转移过程的热力学变化表明,Tl（Ⅲ）、Th（Ⅳ）和U（Ⅵ）的相转移均是自发过程,且Th（Ⅳ）和U（Ⅵ）的相转移为熵驱动过程,而Tl（Ⅲ）的相转移是放热过程,这种差异可为温度诱导双水相萃取和分离废水的Tl（Ⅲ）、Th（Ⅳ）和U（Ⅵ）的研究开辟一条新思路。（4）揭示了Tl、Th和U萃取分离机理。通过水质参数、红外光谱、紫外可见光谱和热重法分析双水相体系萃取Tl（Ⅲ）、Th（Ⅳ）和U（Ⅵ）离子的过程,结果发现Tl（Ⅲ）和PEG的四个结构单元结合形成配合物,而Th（Ⅳ）和偶氮胂Ⅲ（ASAⅢ）在p H=0～3按1:2配位,在p H=4～6按1:1配位;U（Ⅵ）和偶氮氯膦Ⅲ（CPAⅢ）在p H=1～2按1:1配位,在p H=2～4按2:1配位。结果表明,不同的萃取体系其机理存在明显的差异性:PEG质子化后和Tl（Ⅲ）结合,生成佯盐而被双水相体系萃取是协同萃取机理;对Th（Ⅳ）和U（Ⅵ）的萃取是阳离子交换萃取机理;Th（Ⅳ）-ASAⅢ和U（Ⅵ）-CPAⅢ最大吸收峰位于600 nm～700 nm之间,且ASAⅢ和CPAⅢ是对称性化合物,故其为α型螯合物。总之,PEG-（NH4）2SO4双水相体系高效萃取铀矿冶炼废水中的Tl（Ⅰ）、Th（Ⅳ）和U（Ⅵ）离子,三者的萃取率都在95%以上,Tl（Ⅰ）、Th（Ⅳ）、U（Ⅵ）和双水相的硫酸盐及聚乙二醇经过浓缩、结晶法也可到有效回收,验证了该双水相体系对于处理铀矿冶炼废水中Tl（Ⅰ）、Th（Ⅳ）和U（Ⅵ）的有效性,最终分别获得了以Tl、Th和U的氧化物为主的产品,并取得良好的经济效应,为铀矿业冶炼废水的污染控制和金属资源化提供了绿色环保并符合可持续发展要求的新方法。