發(fā)布時間：2019-09-11 17:26

【摘要】：鋰同位素(~6Li和~7Li)是核能源開發(fā)所需要的重要原料,在能源、環(huán)境和國防安全等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。本文從已報道的化學(xué)交換分離鋰同位素方法中,對鋰汞齊法、溶劑萃取法、離子色層交換法和膜法進行了系統(tǒng)的總結(jié)、歸類和評述,詳細分析了各種化學(xué)交換法的分離機理和特點。結(jié)果表明,化學(xué)交換法分離鋰同位素的分離效應(yīng)與體系中絡(luò)合劑與鋰離子鍵合作用相關(guān),鋰汞齊法會因環(huán)境問題將被其他無汞分離體系取代。此外,溶劑萃取法、離子色層交換法和膜法都具有較大的分離效應(yīng),均是非常有前景的鋰同位素分離方法。最后,對鋰同位素分離研究領(lǐng)域的未來方向提出了一些建議,如新型螯合劑設(shè)計合成,不同分離工藝的聯(lián)用和不同實驗條件下分離機理中尚待解決的理論問題。
【圖文】：

凰?6Li的方法。其分離原理是在化學(xué)交換的過程中，6Li+比7Li+與汞更易結(jié)合，6Li富集在鋰汞齊相中，7Li富集在另一相中，其化學(xué)交換法的反應(yīng)式見式(1)。6Li+aq/org+7Li·nHg—→7Li+aq/org+6Li·nHg(1)式中，下角標(biāo)aq和org表示溶于水相或有機相的含鋰化合物。鋰汞齊法分離鋰同位素的單級分離系數(shù)α的計算見式(2)。α=[6LinHg]×[7Li+aq/org]/[7LinHg]×[6Li+aq/org](2)最典型的鋰汞齊法體系是鋰汞齊-氫氧化鋰水溶液體系（圖1為分離流程簡圖），，其核心交換分離流程為：來自上回流器的鋰汞齊與下回流器中的氫氧化鋰水溶液在交換段逆流接觸，使同位素6Li在鋰汞齊相中的富集程度自上而下的呈梯度分布。同時，鋰汞齊從上回流器從電解槽連續(xù)產(chǎn)出，下回流器則進行汞的回收和6Li富端的轉(zhuǎn)向，使富集6Li的氫氧化鋰水溶液返回到交換段，繼續(xù)與鋰汞齊進行交換，直到6Li的純度達到產(chǎn)品的要求后被取出。此外，為保證水相溶液的物料平衡，系統(tǒng)中要不斷的加入自然豐度的氫氧化鋰溶液。溶劑類型、陰離子組成、溫度、電流大小和溶液濃度等因素都對鋰汞齊法分離體系的單級分離系數(shù)產(chǎn)生影響[6-10]。其中，溶劑效應(yīng)主要是由于不同的溶劑具有不同的極性、介電常數(shù)和對同一萃取劑具有不同的溶解度，溶劑分子與鋰離子間作用的強弱會直接影響到α；陰離子對α的影響主要表現(xiàn)在其軟硬酸堿性對鋰離子與汞的結(jié)合難易程度；而溫度的變化會影響該化學(xué)交換過程的熱力學(xué)參數(shù)，圖1鋰汞齊法分離鋰同位素流程簡圖

鋰同位素技術(shù)與工藝上的突破。最近，CORDOVA等[12]采用Li-Cd-Hg三組分汞齊來分離鋰同位素，但其分離系數(shù)并沒有得到明顯提高。鋰汞齊法體系在工業(yè)上分離鋰同位素的優(yōu)點眾多，如單級分離系數(shù)大、同位素反應(yīng)交換周期短、兩相轉(zhuǎn)化容易和工程放大相對簡單，但是其在分離過程中使用了大量汞，對生態(tài)環(huán)境與安全帶來極大的威脅。因此，積極尋求其他綠色高效的鋰同位素分離方法來替代鋰汞齊法已勢在必行。2溶劑萃取法溶劑萃取分離鋰同位素主要是利用6Li和7Li在兩溶劑相中的分配系數(shù)的差異。該法的基本流程如圖2所示，其中交換段是實現(xiàn)鋰同位素分離與富集的工藝核心環(huán)節(jié)。在溶劑萃取分離鋰同位素的過程中，同位素的富集方向與體系中螯合劑與鋰離子鍵合作用相關(guān)。BIGELEISEN等[14]曾報道在化學(xué)交換分離同位素中，絡(luò)合物在某相中應(yīng)當(dāng)是具有較高的振動頻率和同位素位移大的強鍵，而另一相則是振動頻率較低和同位素位移較小的弱鍵，兩者的差值越大則分離圖2溶劑萃取法分離鋰同位素簡單流程[13]系數(shù)α越大，且重同位素在強鍵相富集。從另一角度，BETTS等[15]從理論上推導(dǎo)了萃取過程中同位素交換反應(yīng)的平衡常數(shù)K，K=1+k×|ΔF|，其中，k為常數(shù)（不同元素具有不同的值），ΔF是兩相絡(luò)合物中金屬-配位體的鍵力常數(shù)之差。一般而言，分子由于熱運動其中的原子會在平衡位置的附近作往復(fù)運動。從經(jīng)典力學(xué)出發(fā)，這類往復(fù)運動可看成是諧振子的振動，其振動頻率為式(3)。b12πk(3)式中kb為化學(xué)鍵的鍵力常數(shù)。一般來說，鍵長越短，鍵級越大，表示鍵越強，kb就越大。μ為雙原子的折合質(zhì)量，見式(4)。**mmmm(4)式中m*和m分別為重和輕同位素質(zhì)量。在鋰同位素液-液萃取體系中，由于Li
【作者單位】： 中國科學(xué)院青海鹽湖研究所鹽湖資源綜合高效利用重點實驗室;中國科學(xué)院大學(xué);
【基金】：國家自然科學(xué)鹽湖專項基金項目(U140710047)
【分類號】：O614.111

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本文編號：2534569