化学交换法分离锂同位素研究进展

发布时间：2019-09-11 17:26

【摘要】：锂同位素(~6Li和~7Li)是核能源开发所需要的重要原料,在能源、环境和国防安全等领域具有重要应用价值。本文从已报道的化学交换分离锂同位素方法中,对锂汞齐法、溶剂萃取法、离子色层交换法和膜法进行了系统的总结、归类和评述,详细分析了各种化学交换法的分离机理和特点。结果表明,化学交换法分离锂同位素的分离效应与体系中络合剂与锂离子键合作用相关,锂汞齐法会因环境问题将被其他无汞分离体系取代。此外,溶剂萃取法、离子色层交换法和膜法都具有较大的分离效应,均是非常有前景的锂同位素分离方法。最后,对锂同位素分离研究领域的未来方向提出了一些建议,如新型螯合剂设计合成,不同分离工艺的联用和不同实验条件下分离机理中尚待解决的理论问题。
【图文】：

梯度分布,锂同位素,氢氧化锂

凰?6Li的方法。其分离原理是在化学交换的过程中，6Li+比7Li+与汞更易结合，6Li富集在锂汞齐相中，7Li富集在另一相中，其化学交换法的反应式见式(1)。6Li+aq/org+7Li·nHg—→7Li+aq/org+6Li·nHg(1)式中，下角标aq和org表示溶于水相或有机相的含锂化合物。锂汞齐法分离锂同位素的单级分离系数α的计算见式(2)。α=[6LinHg]×[7Li+aq/org]/[7LinHg]×[6Li+aq/org](2)最典型的锂汞齐法体系是锂汞齐-氢氧化锂水溶液体系（图1为分离流程简图），，其核心交换分离流程为：来自上回流器的锂汞齐与下回流器中的氢氧化锂水溶液在交换段逆流接触，使同位素6Li在锂汞齐相中的富集程度自上而下的呈梯度分布。同时，锂汞齐从上回流器从电解槽连续产出，下回流器则进行汞的回收和6Li富端的转向，使富集6Li的氢氧化锂水溶液返回到交换段，继续与锂汞齐进行交换，直到6Li的纯度达到产品的要求后被取出。此外，为保证水相溶液的物料平衡，系统中要不断的加入自然丰度的氢氧化锂溶液。溶剂类型、阴离子组成、温度、电流大小和溶液浓度等因素都对锂汞齐法分离体系的单级分离系数产生影响[6-10]。其中，溶剂效应主要是由于不同的溶剂具有不同的极性、介电常数和对同一萃取剂具有不同的溶解度，溶剂分子与锂离子间作用的强弱会直接影响到α；阴离子对α的影响主要表现在其软硬酸碱性对锂离子与汞的结合难易程度；而温度的变化会影响该化学交换过程的热力学参数，图1锂汞齐法分离锂同位素流程简图

锂同位素,溶剂萃取法,简单流程

锂同位素技术与工艺上的突破。最近，CORDOVA等[12]采用Li-Cd-Hg三组分汞齐来分离锂同位素，但其分离系数并没有得到明显提高。锂汞齐法体系在工业上分离锂同位素的优点众多，如单级分离系数大、同位素反应交换周期短、两相转化容易和工程放大相对简单，但是其在分离过程中使用了大量汞，对生态环境与安全带来极大的威胁。因此，积极寻求其他绿色高效的锂同位素分离方法来替代锂汞齐法已势在必行。2溶剂萃取法溶剂萃取分离锂同位素主要是利用6Li和7Li在两溶剂相中的分配系数的差异。该法的基本流程如图2所示，其中交换段是实现锂同位素分离与富集的工艺核心环节。在溶剂萃取分离锂同位素的过程中，同位素的富集方向与体系中螯合剂与锂离子键合作用相关。BIGELEISEN等[14]曾报道在化学交换分离同位素中，络合物在某相中应当是具有较高的振动频率和同位素位移大的强键，而另一相则是振动频率较低和同位素位移较小的弱键，两者的差值越大则分离图2溶剂萃取法分离锂同位素简单流程[13]系数α越大，且重同位素在强键相富集。从另一角度，BETTS等[15]从理论上推导了萃取过程中同位素交换反应的平衡常数K，K=1+k×|ΔF|，其中，k为常数（不同元素具有不同的值），ΔF是两相络合物中金属-配位体的键力常数之差。一般而言，分子由于热运动其中的原子会在平衡位置的附近作往复运动。从经典力学出发，这类往复运动可看成是谐振子的振动，其振动频率为式(3)。b12πk(3)式中kb为化学键的键力常数。一般来说，键长越短，键级越大，表示键越强，kb就越大。μ为双原子的折合质量，见式(4)。**mmmm(4)式中m*和m分别为重和轻同位素质量。在锂同位素液-液萃取体系中，由于Li
【作者单位】：中国科学院青海盐湖研究所盐湖资源综合高效利用重点实验室;中国科学院大学;
【基金】：国家自然科学盐湖专项基金项目(U140710047)
【分类号】：O614.111

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