[发明专利]一种电场耦合冠醚接枝聚合物多孔膜分离锂同位素的方法

说明书

本发明提供了一种电场耦合冠醚接枝聚合物多孔膜分离锂同位素的方法。该方法将冠醚功能化聚合物膜的锂同位素分离效应与电场作用下锂同位素分离效应耦合，以增强系统锂同位素分离效果。具体而言，将具有锂同位素分离效应的冠醚功能化多孔膜固定在扩散池中间，扩散池两侧分置锂盐溶液与纯水，利用功能化膜对⁷Li⁺的选择性吸附作用，在纯水侧富集⁶Li⁺。同时利用电场作用下⁶Li⁺具有更快的迁移速率，加快⁶Li⁺同位素离子向纯水侧迁移速率，最终实现锂同位素离子分离的绿色化和高效化。

技术领域

本发明涉及同位素分离方法及技术领域，特别涉及一种电场耦合冠醚接枝聚合物多孔膜分离锂同位素的方法。

背景技术

锂是自然界中最轻的碱金属元素，如今在冶金、陶瓷、航天、医学、化工、纺织、矿产以及国防等领域应用越来越广泛。锂存在着多种位素，其中⁶Li⁺和⁷Li⁺是两种天然稳定的同位素，其丰度分别约为7.52％和92.48％。两种同位素在核能领域均具有重要的应用。核聚变反应所需的氚在自然界中几乎不存在，而⁶Li⁺被中子轰击后可以生成氚和氦，使得聚变堆中氚能不断增殖，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以及钍堆熔盐介质。因此，锂的两种同位素在核能中具有十分重要的作用。发展高效锂同位素分离技术关系到国家能源安全与经济可持续发展战略的实施，具有重要的经济意义和社会价值。

目前，锂同位素分离方法大致可分为化学法和物理法。化学法包括锂汞齐法、萃取法、离子交换色层分离法、分级结晶和分级沉淀等。物理法包括电子迁移、熔盐电解法、电磁法、分子蒸馏和激光分离等。其中，以冠醚为络合主体的液-液萃取和液固萃取法是目前研究最为广泛的锂同位素分离方法。

锂汞齐交换法实现了规模化应用，常用的交换体系有两种：锂汞齐与含锂化合物溶液之间的交换和两者有机溶液之间的交换。该方法具有分离系数高、同位素交换速率极快、易于实现两相回流等优点。但是因使用大量剧毒汞而存在严重的环境和安全问题，欧美等国家采用此方法分离锂同位素的工厂已经部分关闭，并积极治理已带来的大规模汞污染。

溶剂萃取法是分离锂同位素的另一种重要化学方法，其中冠醚萃取法主要是利用中性鳌合萃取剂冠醚在萃取过程中对⁶Li⁺和⁷Li⁺的鳌合性质的差异，在交换环节实现同位素交换和富集的一种化学交换法。针对液液萃取同位素的研究，中国专利CN105561790A公开了一种锂同位素萃取分离的方法，采用苯并氮杂冠醚类化合物作为萃取剂，在有机相中主要络合⁷Li⁺。专利CN103801194A公开了一种分离锂同位素的萃取剂并采用多级锂同位素萃取的实例，有机相中同样富集⁷Li⁺。但是在溶液萃取过程中，存在有冠醚难以重复利用、溶剂用量大、易于返混等技术难题。

为了更好利用冠醚的萃取性能而规避溶剂萃取的短处，科学家探索以聚合物为载体，通过接枝、缩聚、加聚等技术实现冠醚与聚合物的固定化，从而通过固液萃取的方法分离同位素。本课题组在专利CN102911372A及CN103386299A中公开了将冠醚接枝在膜上并利用膜色谱进行锂同位素的方法。分别得到1.056和1.068的分离因子，表明膜分离是一种有效的锂同位素分离方法。同时，由于膜内富含多级孔道结构，极大的增强了离子在膜的传质速率，增强了同位素的分离效率。