[发明专利]一种sol-gel材料萃取分离锂同位素的方法

说明书

技术领域

本发明属于锂同位素分离领域，特别涉及一种sol-gel材料萃取分离锂同位素的方法。

背景技术

元素锂在自然界有⁶Li和⁷Li两种稳定同位素，其丰度分别约为7.5％和92.5％。⁶Li和⁷Li在核反应中的作用截然不同。⁶Li被中子轰击后生成氚和氦，使得聚变堆中氚能不断增殖，所以⁶Li是必不可少的核聚变堆燃料。⁷Li则被用来作为核聚变反应堆的堆心冷却剂和导热的载热剂，⁷Li还可以作为钍堆熔盐介质。将元素锂的同位素⁶Li和⁷Li分离的过程称为锂的同位素分离。

目前用于锂同位素分离的方法很多，大致可分为化学法和物理法。物理法包括熔盐电解法、电子迁移法、电磁法、分子蒸馏法、激光分离法等。这些物理法虽能将锂同位素富集到较高的纯度，但其产量有限，不能适用于大规模的工业需求。化学法包括锂汞齐法、离子交换法、萃取法等。目前，锂汞齐法是唯一用于工业生产的锂同位素分离方法，但由于此生产过程中大量汞的使用带来了严重的环境和安全问题。因此，寻找其他安全高效的锂同位素分离方法已成为各国研究的热点。近年来，离子交换色谱法分离锂同位素被广泛研究，但此法分离系数小、平衡时间长、交换剂稳定性差等缺点限制了其在工业上的应用价值；穴醚萃取分离锂同位素有较高的一级分离系数，但是由于其合成复杂价格昂贵、反应时间长，解络合速率慢、体系转相困难等因素决定这类体系应用的局限性。

上世纪70-80年代，我国原核工业部202厂和上海有机化学研究所组织了百位科技人员对萃取锂同位素分离进行了研究，从众多的萃取剂中筛选出苏丹-中性配体协同萃取体系和杂氮菲螯合体系，初步解决了回流方法、化工操作和传质设备等技术问题，显示其应用前景，但是遗憾的是，因国家“保军转民”战略调整，课题被迫终止。面对国家核聚变堆和钍堆的计划发展需要和我国锂同位素分离严重滞后于民用核能发展的现状，程志翔教授于2009年在香山会议第357次会议中提出“研究更有效的锂同位素的萃取分离体系”，该建议得到了中科院袁承业院士的高度重视，为实验的顺利开展奠定了良好的基础。

我国制定了“压水堆-快堆-聚变堆”核能三步走的核电长期发展战略。国家于2006年和2011年先后启动了“国际热核聚变实验堆计划”(ITER)和“未来先进核裂变能-钍基熔盐堆核能系统计划”(TMSR)，预计将在本世纪中叶实现聚变能和钍基熔盐堆核能商业化。随着可控热核聚变技术的日益成熟，未来对锂同位素的需求量非常巨大，据初步估计每年大约需要5吨6Li。因而，主要发达国家近年加快了对锂同位素分离领域的研究和开发力度，并取得了多方面的成果。然而，我国却在最近二十年中几乎停止了对锂同位素分离的研究工作。上世纪六七十年代为发展氢弹而从事锂同位素分离的研究骨干大多在七十岁以上，抢救式地总结老同志取得的宝贵实践经验和研究成果已非常紧迫，因此，研究有效的锂同位素的萃取分离体系迫在眉睫。到目前为止，锂汞齐法仍然是世界上唯一应用于工业生产的锂同位素分离法。然而，锂汞齐法因使用大量剧毒汞而导致严重的环境和安全问题。因此建立快速、经济、高效、绿色环保的锂同位素分离技术势在必行。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题就是针对现有的锂汞齐法分离锂同位素存在的环境污染严重导致安全问题，提供一种新的锂同位素萃取分离的方法，该方法绿色环保较并具有良好的锂同位素分离效能，。

本发明人经过广泛的研究和反复的试验发现，采用憎水性苯并15-冠-5和疏水性离子液体分别作为萃取剂和协萃剂制备sol-gel材料萃取锂同位素。在萃取过程中，苯并15-冠-5、离子液体和锂离子三者形成稳定的离子缔合物，将锂从水相萃取进入固相，并产生了显著的同位素分离效应。本发明人进一步的对萃取锂盐，萃取剂，协萃剂等萃取条件进行优化选择，实现了锂同位素的高效绿色分离，并且使提取过程中所用的离子液体和萃取剂能够重复使用，降低生产成本，从而完成了本发明。

本发明的一种sol-gel萃取分离锂同位素的方法包括以下步骤：

(1)sol-gel合成sol-gel材料包括无机硅基质和有机掺杂部分，所述的无机基质主要由四乙氧基硅烷水解得到，掺杂的有机物为疏水性离子液体和苯并15-冠-5。

(2)萃取在固相中加入不同锂盐或不同浓度的硫氰根锂的水相，转速200r/min机械振荡2-9h，离心分离水相与固相。