离子液体—电迁移法分离锂同位素

来源 :中国科学院大学(中国科学院青海盐湖研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:naonao7949
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自然界中稳定存在的锂同位素有两种,即锂-6和锂-7,其自然丰度分别为7.58%和92.42%。锂-6和锂-7在核工业中有着重要的用途。30%以上丰度的锂-6可以应用于民用受控核聚变过程,90%以上丰度的锂-6可以应用于军用非受控核聚变过程;而锂-7丰度为99.99%以上的7Li OH可作为压水反应堆的p H调节剂,锂-7丰度大于99.995%的7Li2Be F4则为熔盐反应堆的冷却剂。因此,由自然丰度的锂产品分离得到高丰度锂同位素产品对于核工业原料的稳定供给具有重要意义。当前文献报道的唯一实现工业化应用的锂同位素分离方法是锂汞齐法,该方法中使用大量的金属汞会带来环境风险,且对操作人员具有潜在的职业健康危害。因此,随着人们对环境问题和职业健康的日益重视以及核工业对高丰度锂同位素产品需求的日益增加,寻找锂汞齐法的替代方法日趋迫切。离子液体-电迁移法在于利用锂同位素离子在离子液体相中电迁移速率差异实现锂同位素分离,其是一种环境友好的新型分离方法。本文主要从以下方面开展离子液体-电迁移法分离锂同位素的研究工作。(1)通过研究离子液体阴、阳离子迁移至电极溶液的浓度,研究离子液体-电迁移法分离锂同位素中离子液体离子向电极溶液的电迁移规律。得出如下结论:1?体系中离子液体阴阳离子的迁移受到三种力的相互作用,分别为:电迁移力、扩散力和回溶力;电迁移力驱使阴、阳离子分别向阳极液和阴极液方向迁移,扩散力驱使阴、阳离子同时向阳极液和阴极液方向迁移;回溶力驱使迁移至电极液的阴、阳离子回溶至离子液体相中。2?随着电流的增大,电迁移作用逐渐增强,使得离子液体阳离子向阴极水溶液的迁移量随之增加,向阳极水溶液的迁移量随之减少;同时,离子液体阴离子向阳极溶液的迁移量增加,向阴极溶液的迁移量减少。表明了离子液体阴阳离子在电场作用下的定向迁移行为和离子液体离子的迁移量与电场强弱直接相关。3?当电极液为碱性或溶解Li N(CF3SO22时,离子液体阳离子与溶液阴离子生成新的疏水性离子液体,并回溶至离子液体相导致电极液中迁入的阳离子量明显减少。4?将Li N(CF3SO22溶入离子液体时,离子液体阳离子的迁移量也受到明显抑制,锂离子取代部分离子液体阳离子迁移进入电极液,由此推断体系中离子液体相的导电机制可能是离子液体阴阳离子的定向迁移,以及电场作用下锂离子可以在离子液体相定向迁移。(2)通过检测施加电场后锂离子在阴极溶液中的浓度,研究离子液体-电迁移法在分离锂同位素的过程中锂离子在离子液体/水溶液二元体系中的迁移情况。研究证明:1?锂离子不能从阳极水溶液直接电迁移穿过离子液体/阳极水溶液界面进入离子液体相。2?直接溶入离子液体的锂离子可以电迁移进入阴极溶液。3?溶入二甲亚砜的锂离子可以从阳极溶液通过离子液体相电迁移进入阴极溶液。初步推测是水溶液中的水合锂离子难以穿越疏水型离子液体/阳极水溶液界面,溶解在二甲亚砜中的锂离子没有结合水分子或者络合的水分子数目较少,在疏水性离子液体/二甲亚砜界面处受到的阻力较少,故可以穿过界面。检测该过程阴极溶液中的锂同位素值,证实该方式具有微弱的锂同位素分离效应。(3)将锂离子通过萃取过程负载至离子液体-冠醚体系中,再对载锂的离子液体-冠醚体系施加电场,使锂离子从离子液体-冠醚体系部分迁出,研究锂离子电迁移过程中的同位素分离效应。结果表明电场作用可使锂离子从离子液体-冠醚体系为主组成的有机相电迁移进入阴极水溶液,其过程可实现锂同位素的分离。实验表明:低电压下,锂-7优先从有机相电迁移进入阴极水溶液;而在高电压下,锂-6优先从有机相电迁移进入阴极水溶液。在两段式过程中,电迁移使得锂同位素值从-7.6达到-21.5;在三段式过程中,阴极溶液的锂同位素值从-5.7达到-16.1,阳极溶液迁入的锂离子同位素值达到6.4。锂同位素分离受到离子电迁移、锂离子扩散和冠醚络合作用的共同影响。
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