[发明专利]锂同位素的萃取体系及其萃取方法

说明书

本发明公开了一种锂同位素的萃取体系，其包括混合均匀的萃取剂、疏水性离子液体和稀释剂；其中，萃取剂为式A或式B所示的冠醚衍生物。本发明通过选定侧基带有供电子基团的冠醚衍生物作为萃取剂，可提高其中的电子云密度，从而增强了萃取剂与锂离子之间的离子‑偶极作用，由此将该类结构的萃取剂应用于锂同位素的萃取分离时，尤其具有更好的分离效率。该类萃取剂在应用时，完成反萃后仅需进行简单的洗涤处理即可实现再生而重复利用，循环工艺也大大地节省了锂同位素的分离成本。本发明的萃取体系具有绿色、交换速率快、分离效率好、适用于不同规模生产等优点。本发明还公开了基于上述萃取体系的锂同位素萃取方法。

技术领域

本发明属于锂同位素分离富集技术领域，具体来讲，涉及一种锂同位素的萃取体系及其萃取方法。

背景技术

我国将发展核电放在十分重要的地位，同时，中国也是国际受控热核聚变计划(ITER)项目的主要参与单位，国家为此先后启动了相关工程项目。如，2002年，核工业部西南物理研究院建成“国环流器二号A”，其通过开展新型偏滤器、超导磁体等关键工程技术预研、工程试验堆设计、材料研究及其关键部件预研，为设计建造氘氚燃烧试验装置提供了技术和物理基础。2006年，中国科学院等离子体物理研究所建成了世界上第一个同时具有全超导磁体和主动冷却结构的核聚变实验装置。根据“受控核聚变”工程进展，科学家乐观地估计在未来30～50年内可实现核聚变发电。2011年，我国又正式启动了“未来先进核裂变-钍基熔盐堆核能系统”的相关项目。核聚变反应堆，涉及到的主要反应为D+T→⁴He+n，即氘(D)和氚(T)聚合成氦(He)核时会释放出巨大的能量。氘核(D)在地球上的资源极其丰富，而另一种原料氚(T)在自然界中存在的量极少。

锂(Li)在自然界存在两种稳定的同位素⁶Li和⁷Li，它们的自然丰度(指⁶Li和⁷Li的自然相对百分含量)分别是7.42％和92.58％。这两种同位素在核能源领域都具有极其重要的作用。其中，热中子吸收截面达940b的⁶Li被中子(n)轰击裂变后能生成氚和氦(⁶Li+n→T+⁴He)，所以一定丰度的⁶Li可用作核聚变的原料和其他用途；而热中子吸收截面仅为0.037b的⁷Li对核反应过程的调控和设备的维护有着重要的作用。

目前，锂同位素的单级分离方法有很多种，可分为化学法和物理法，其中化学法包括锂汞齐交换法、离子交换色层法、萃取法等；物理法包括电磁法、电子迁移、分子蒸馏和激光分离等。物理法因生产设备昂贵和生产条件苛刻、能耗高但产量小等特点，不适合应用于工业化生产。锂汞齐法分离锂同位素存在很大的缺点，其分离过程中使用了大量汞金属带来生态环境和安全问题，欧美等国已关闭了一些用锂汞齐法分离锂同位素的工厂。自从1976年Pedersen发现冠醚类化合物能根据其空腔尺寸选择性的与碱金属离子存在络合作用以来，基于冠醚的相关同位素分离研究主要有溶剂液-液萃取法和离子交换色层法。但是，目前所使用的基于冠醚的萃取体系一般均需接枝苯基或烷基、烷氧基(尤其是长链的烷基、烷氧基)等侧基，而这种接枝一般需要其对应的冠醚与咪唑类离子液体上的阳离子通过化学反应来实现。然而，由于冠醚的特殊大环结构，接枝反应过程中由于冠醚的位阻效应，烷基、烷氧基、苯基这种反应活性低的基团与冠醚难以进行接枝反应，合成制备困难；而且由于萃取剂萃取效率较低，制备萃取相时需要配制高浓度的萃取剂才能达到较好的萃取效率，所进行萃取分离时将会造成成本极高。

在锂同位素的分离富集过程中，锂同位素⁶Li的丰度每提高0.1％都是非常困难的。如石成龙等(C.Shi et al.Journal of Molecular Liquids.2016,224:662-667)利用二苯并十四冠四(DB14C4)为萃取剂，氯化锂(LiCl)为水相时，其通过萃取-反萃方法仅能够将⁶Li的相对丰度从7.563％提高到7.634％，仅仅提高了0.071％。

发明内容