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技术

本发明专利技术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

Separation of Lithium Isotopes by Electric Field Coupled Crown Ether Grafted Polymer Porous Membrane

The invention provides a method for separating lithium isotopes by electric field coupling crown ether grafted polymer porous membrane. This method couples the lithium isotope separation effect of crown ether functionalized polymer membrane with the lithium isotope separation effect under electric field to enhance the lithium isotope separation effect of the system. Specifically, the functional porous membrane of crown ether with lithium isotope separation effect was fixed in the middle of the diffusion cell, and lithium salt solution and pure water were separated on both sides of the diffusion cell.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及同位素分离方法及
，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。
技术介绍
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。但是，这些方法存在单级分离因子相对较小，难以达到理想要求等问题。这主要是由于同位素离子间物理、化学作用差异极小，使得无论何种分离方法，均无法得到较大的分离因子。因此本专利技术提出将多种分离方法耦合，通过不同分离方法间协同效应进行同位素分离，期望较单一分离方法所得分离因子进一步提高。电迁移法是利用不同同位素离子在电场下的迁移速率不同，对同位素进行分离及富集的物理方法。在外加电场作用下，6Li+的电迁移率大于7Li+，6Li+主要富集于阴极。将电子物理迁移与冠醚功能化膜的化学萃取进行耦合，可有效提高锂同位素的萃取效率。BlackJR等人在2009年第29期JournaloftheAmericanChemicalSociety中报道了一种利用电化学沉积进行锂同位素分离的方法，得到了可观的同位素分离效应。本专利技术期望通过耦合膜分离和电场分离同位素的方法，设计耦合分离系统，利用两种分离方法对锂同位素分离的协同效应，增强锂同位素分离效果，达到快速、高效分离锂同位素的目的。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的问题，本专利技术提供一种电场耦合冠醚功能化膜进行锂同位素分离的方法。该方法具有安全、绿色、稳定性好、高效的特点。本专利技术采用图1所示装置，具体为将冠醚功能化多孔膜固定于两扩散池中间，左侧充入锂盐溶液并插入阳极，右侧充入纯水并插入阴极。当Li+在电场作用下透过膜时，7Li+主要被富集于膜上，而6Li+则可透过膜。同时，由于6Li+的电迁移率大于7Li+，因此6Li+主要富集于阴极，从而实现6Li+/7Li+的高效分离。扩散池中间固定的具有锂同位素分离效应的聚合物多孔膜为冠醚接枝聚合物膜。冠醚接枝聚合物可为氨基苯并15-冠-5接枝聚砜、氨基苯并15-冠-5接枝聚醚砜、氨基苯并15-冠-5接枝聚醚醚酮、单氮杂苯并15-冠-5接枝聚砜、单氮杂苯并15-冠-5接枝聚醚砜、单氮杂苯并15-冠-5接枝聚醚醚酮、甲酰基苯并-15-冠-5接枝聚乙烯醇、甲酰基苯并-15-冠-5接枝聚乙-乙烯醇、甲酰基苯并-15-冠-5接枝壳聚糖、氨基苯并12-冠-4接枝聚砜、氨基苯并12-冠-4接枝聚乙烯醇、单氮杂苯并12-冠-4接枝壳聚糖。与现有技术相比，本专利技术优势在于：本专利技术采用膜萃取法与电子迁移法结合，开发出富集7Li+的冠醚功能化膜，从而使6Li+能够自由透过膜进入阴极，提升6Li+/7Li+的分离因子，实现锂同位素的分离与富集。是一种简单、高效、低能耗的工艺方法，具有占地面积小、运行稳定、易于放大等优势。附图说明图1是本专利技术中利用冠醚功能化多孔膜在扩散池中对锂同位素进行分离富集的装置示意图。图2是实施例3的丰度测试变化图。具体实施方式下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本专利技术，但不以任何方式限制本专利技术。实施例1扩散池中固定氨基苯并15-冠-5接枝聚砜多孔膜，聚合物膜直径为20mm，聚合物膜层数为6层，聚合物膜对6Li+具有选择性富集效果。在扩散池左测中加入浓度为1.0mol/L的碘化锂溶液，插入不锈钢电极，在右室中加入纯水并插入钛片电极。电源电压设定为2.00V。通电后，每隔10分钟在扩散侧中取一次水样进行测试，最终分离结果得7Li+丰度为90.18％，6Li丰度为9.82％。实施例2扩散池中固定氮杂苯并15-冠-5接枝聚砜多孔膜，聚合物膜直径为20mm，聚合物膜层数为8层，聚合物膜对6Li+具有选择性富集效果。在扩散池左测中加入浓度为1.0mol/L的氯化锂溶液，插入不锈钢电极，在右室中加入纯水并插入钛片电极。电源电压设定为2.00V。通电后，每隔10分钟在扩散侧中取一次水样进行测试，最终分离结果得7Li+丰度为89.04％，6Li丰度为10.96％。实施例3扩散池中固定氨基苯并12-冠-4接枝聚砜多孔膜，聚合物膜直径为20mm，聚合物膜层数为10层，聚合物膜对6Li+具有选择性富集效果。在扩散池左测中加入浓度为1.0mol/L的氯化锂溶液，插入不锈钢电极，在右室中加入纯水并插入钛片电极。电源电压设定为2.50V。通电后，每隔10分钟在扩散侧中取一次水样进行测试，最终分离结果得7Li+丰度为87.92％，6Li丰度为12.08％。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电场耦合冠醚接枝聚合物多孔膜分离锂同位素的方法，其特征在于：将冠醚接枝聚合物多孔膜夹装于自制扩散池中间，扩散池两侧插入电极分别作为阳极与阴极，并在阳极侧加入锂盐溶液，在阴极侧加入超纯水。在电场作用下，锂离子通过冠醚接枝聚合物多孔膜，由阳极侧扩散进入阴极侧。所用冠醚功能化膜为7Li+富集膜，即7Li+主要被富集于膜上，而6Li+则可快速透过膜。此外，在电场作用下，6Li+的电迁移率大于7Li+，即6Li+可更快地由阳极侧扩散进入阴极侧。因此，利用不同锂同位素在同一电压下迁移速率不同，以及多孔膜对锂同位素的选择透过性，从而实现6Li+/7Li+的高效分离。

【技术特征摘要】
1.一种电场耦合冠醚接枝聚合物多孔膜分离锂同位素的方法，其特征在于：将冠醚接枝聚合物多孔膜夹装于自制扩散池中间，扩散池两侧插入电极分别作为阳极与阴极，并在阳极侧加入锂盐溶液，在阴极侧加入超纯水。在电场作用下，锂离子通过冠醚接枝聚合物多孔膜，由阳极侧扩散进入阴极侧。所用冠醚功能化膜为7Li+富集膜，即7Li+主要被富集于膜上，而6Li+则可快速透过膜。此外，在电场作用下，6Li+的电迁移率大于7Li+，即6Li+可更快地由阳极侧扩散进入阴极侧。因此，利用不同锂同位素在同一电压下迁移速率不同，以及多孔膜对锂同位素的选择透过性，从而实现6Li+/7Li+的高效分离。2.依据权利要求1所述的电场耦合冠醚接枝聚合物多孔膜分离锂同位素的方法，其特征在于：冠醚接枝聚合物可为甲酰基苯并-15-冠-5接枝聚乙烯醇，甲酰基苯并-15-冠-5接枝聚乙烯-乙烯醇，氨基苯并15-冠-5接枝聚砜、氨基苯并15-冠-5接枝聚醚砜、氨基苯并15-冠-5接枝聚醚醚酮、单氮杂苯并15-冠-5接枝聚砜、单氮杂苯并15-冠-5接枝聚醚砜、单氮杂苯并15-冠-5接枝...

【专利技术属性】
技术研发人员：王明霞，严峰，李觊雪，李建新，裴洪昌，孟祥宇，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12