一種鋰同位素分離方法及其單級分離系數(shù)測定方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于同位素分離【技術領域】，具體涉及一種鋰同位素分離方法及其單級分離系數(shù)測定方法。該方法利用石墨-有機電解質體系實現(xiàn)鋰同位素分離，包括氧化還原反應、同位素交換反應及鋰同位素的分離三個步驟。該方法實現(xiàn)了在非汞體系中鋰同位素分離，避免了金屬汞對環(huán)境的污染和對人類健康的危害，操作簡單，并且單級分離系數(shù)達到了1.02以上，分離效率高，可達到工業(yè)上鋰同位素分離對單級分離系數(shù)的要求。
【專利說明】一種鋰同位素分離方法及其單級分離系數(shù)測定方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于同位素分離【技術領域】，具體涉及一種鋰同位素分離方法及其單級分離系數(shù)測定方法。
【背景技術】
[0002]隨著世界人口的增長和經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們對能源的需求也飛速膨脹。目前，世界上使用能源的85%來源于不可再生的石油、天然氣和煤炭。全球石油危機日益嚴峻，石油的儲量僅能維持人類繼續(xù)使用約40年。另外，石油、天然氣和煤炭等化石原料同時也是眾多工業(yè)產(chǎn)品的直接原材料，將它們作為燃料不僅是對資源的極大浪費，而且嚴重污染了人類賴以生存的環(huán)境。能源的潛在危機和生態(tài)環(huán)境的惡化使世界各國積極開發(fā)包括核能在內的新能源和可再生能源?，F(xiàn)在商業(yè)化運行的原子能電站是基于鈾同位素的可控裂變反應堆。由于全球鈾資源極其有限，僅夠使用幾十年，而且鈾裂變反應的產(chǎn)物是長壽命的放射碎片，一旦泄露或處理不當將給人類帶來極大的災難。因此，開發(fā)可控聚變堆代替裂變堆日益受到世界各國的廣泛關注。聚變反應是利用氘(D)和氚(T)聚合成氦(4He)核時放出的巨大核能:D+T — 4He (3.52MeV) +η (14.06MeV)。自然界中幾乎不存在氚，必須依靠中子轟擊6Li來產(chǎn)生和不斷增殖:6Li+n — T+4He。聚變反應堆可獲得的能量受到鋰同位素資源的限制，因此鋰成了人類未來最終的戰(zhàn)略資源。
[0003]鋰(Li)是自然界最輕的金屬，鋰元素包含6Li和7Li兩種同位素，其天然豐度分別為7.5%,92.5%。6Li和7Li的化學性質類似但是核性質相差很大，其中7Li的熱中子吸收截面僅為0.037b,而6Li的熱中子吸收截面為940b,因此6Li被中子轟擊后生成氣和氦,使氣在反應堆中不斷增殖。故6Li是重要的產(chǎn)氚原料和必不可少的聚變堆燃料。此外，6Li和氘形成的固態(tài)化合物(6LiD)是核武器的重要裝料。可見，鋰同位素特別是6Li與軍事和能源的關系十分密切，在核領域占有十分重要的地位。因此，鋰同位素分離技術一直受到廣泛關注，世界各國都在緊張、秘密地開展相關研究。
[0004]工業(yè)生產(chǎn)中，良好的鋰同位素分離方法首先要滿足單級分離系數(shù)值大于1.02的條件。因此，單級分離系數(shù)α是衡量一個分離方法工業(yè)價值的重要技術指標。
[0005]迄今為止，世界各國工業(yè)生產(chǎn)鋰同位素的唯一方法是鋰汞齊法。
[0006]在實現(xiàn)本發(fā)明過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術中至少存在如下問題:此方法在同位素生產(chǎn)過程中使用大量的汞，給人類和環(huán)境帶來了極大的危害。因此，急需尋找一種可以替代鋰汞齊法、對環(huán)境和人類無毒無害的體系和操作簡單的方法。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明提供一種鋰同位素分離方法，其分離效率高、過程簡單、分離徹底，并且避免了汞的使用。本發(fā)明還提供一種適用于該鋰同位素分離方法的單級分離系數(shù)測定方法，可以較快測出被分離的鋰氧化物的單級分離系數(shù)。
[0008]一方面，本發(fā)明實施例提供了一種鋰同位素分離方法，所述方法采用三電極電解體系，在電解池中設置工作電極、輔助電極和參比電極，其中工作電極為石墨薄片，電解質溶液為的醋酸鋰-二甲基亞砜溶液，包括以下步驟:
[0009](I)氧化還原反應:在恒溫、氬氣保護條件下，先進行恒電流電解，當所述工作電極的電壓下降至平穩(wěn)電壓時，轉換為恒電位電解，達到預定電解量時終止，反應時不斷攪拌；
[0010](2)同位素交換反應:繼續(xù)保持恒溫，將所述工作電極斷電，靜置后重新開始攪拌，直至同位素交換反應7LimC+6Li+S 'sLinC+7Li+達到平衡；
[0011](3)鋰同位素分離:從所述電解池中移出所述工作電極，用脫水己烷清洗，待脫水己烷徹底揮發(fā)后，將所述工作電極加熱，得到石墨相鋰的氧化物。
[0012]進一步地，所述石墨薄片的厚度小于等于0.5毫米。
[0013]進一步地，所述醋酸鋰-二甲基亞砜溶液的濃度為0.025?0.5mol/L。
[0014]進一步地，其步驟(I)中的預定電解量為7?30庫倫，該預定電解量可以根據(jù)電解的實際情況和需要隨時進行調整。
[0015]進一步地，其步驟(I)中的恒電流電流大小為-0.8?-1.1毫安。
[0016]進一步地，其步驟(I)中的恒溫溫度為20?40攝氏度。
[0017]進一步地，其步驟(2)中的靜置時間為4?10分鐘。
[0018]進一步地，其步驟(2)中的重新開始攪拌的攪拌時間為I?5分鐘，用于使同位素充分進行交換反應，該時間優(yōu)選為5分鐘，以保證交換反應充分。
[0019]進一步地，其步驟(3)中的工作電極加熱溫度為大于等于700攝氏度，優(yōu)選地，工作電極加熱溫度為800度，上述溫度只要不低于700攝氏度，即可滿足將所述工作電極轉化為石墨相鋰氧化物的條件。
[0020]進一步地，所述輔助電極為Pt片，所述參比電極為飽和甘汞電極。
[0021]另一方面，本發(fā)明實施例提供了一種用于測定上述任意一種鋰同位素分離方法獲得的分離產(chǎn)物的單級分離系數(shù)的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0022](4)向步驟(3)得到的石墨相鋰的氧化物中加入2mol/L HNO3，使之轉化為石墨相LiNO3溶液；
[0023]( 5 )將所述電解池中的電解質溶液取出，該電解質溶液取出的量可以自由確定，一般可以取出1ml，因為取出該電解質溶液的目的只是用于測量6Li與7Li的比例，所以取出的量只要滿足測量需要即可。向取出的電解質溶液中加入同體積的2mol/L HNO3B成混合溶液，將混合溶液在電爐上蒸發(fā)至盡干，再置于800攝氏度馬弗爐中加熱10小時，得到溶液相鋰的氧化物。向所述溶液相鋰的氧化物中加入2mol/L HNO3，使之轉化為溶液相LiNO3溶液；
[0024](6)用3%HN03將所述石墨相LiNO3溶液和溶液相LiNO3溶液稀釋至ppm (10_6)級，以3%HN03做空白對照，以3%HN03稀釋天然豐度的醋酸鋰-二甲基亞砜溶液至ppm (10_6)級為標準，利用無機質譜儀進行同位素豐度測定，通過計算得到單級分離系數(shù)。
[0025]上述技術方案具有如下有益效果:因為采用了石墨薄片工作電極和醋酸鋰-二甲基亞砜電解液的電解體系，實現(xiàn)了在非汞體系中鋰同位素分離，避免了對環(huán)境和人類的污染，并且單級分離系數(shù)達到了 1.02以上，可達到工業(yè)上鋰同位素分離對單級分離系數(shù)的要求，該方法為不同價態(tài)鋰同位素之間的交換反應，對獲得較高的單級分離系數(shù)十分有利。另外，該方法由于沒有復雜的化學反應，并且固液兩相接觸進行同位素交換，單級分離結束后，只需將石墨電極移出電解池，因此其還具有分離過程簡單、分離徹底的特點。該單級分離系數(shù)測定方法采用硝酸溶解鋰氧化物，可以較快測出分離鋰氧化物的單級分離系數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0027]圖1是本發(fā)明實施例中鋰同位素分離方法的流程圖。
[0028]圖2是本發(fā)明實施例中單級分離系數(shù)測定方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0029]下面對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0030]本發(fā)明實施例中氧化還原和同位素交換反應的具體原理為:
[0031]首先，電解質溶液中的Li為天然鋰，其中的7Li+得到一個電子后嵌插在石墨層中形成7Li原子，然后溶液相的6Li+與石墨層中的7Li原子發(fā)生同位素交換反應，6Li+進入石墨相,7Li+ 進入溶液相，反應方程式為:6Li+(sol) + 7Li1X(GICs) ^ 7L「(sol)十6LiillC(GICs),:
[0032]其中sol代表溶液相，GIC`s代表石墨相。其實質是中性鋰原子Li與Li+間的同位素交換反應。
[0033]實施例1
[0034]采用三電極電解體系，在電解池中設置工作電極、輔助電極和參比電極，其中工作電極為石墨薄片，電解質溶液為0.075mol/L的醋酸鋰-二甲基亞砜溶液，包括以下步驟:
[0035](I)氧化還原反應
[0036]采用厚度為0.2mm的石墨薄片作為工作電極(WE)，Pt片電極為輔助電極(CE)，飽和甘汞電極為參比電極(RE)的三電極體系，電解質溶液為濃度為0.05mol/L的醋酸鋰-二甲基亞砜(LiCH3COO-DMSO)溶液。電解條件為:先在電流大小-0.8mA的恒電流模式下進行電解，當工作電極對參比電極的電壓下降至一個平穩(wěn)電壓時-3.0V，將電解模式轉換為恒電位電解模式，恒電位設定為低于平穩(wěn)電壓0.01V~0.02V，達到預定電解量時電解終止，該電解電量為7~30庫倫，并且可以根據(jù)實際情況進行調整；整個電解過程中要攪拌電解質溶液，并且電解池處在25°C恒溫及高純氬氣保護的條件下；
[0037](2)同位素交換反應
[0038]將電極斷電，同時將攪拌停止，靜置5min后再開始攪拌5min，進行同位素交換反應，此過程電解池的溫度與步驟(1)中的溫度保持一致；
[0039](3)鋰同位素的分離
[0040]將石墨電極從電解池中移出并用脫水己烷清洗，待脫水己烷徹底揮發(fā)后，將石墨電極在溫度為800 V的馬弗爐中加熱，得到石墨相鋰的氧化物。[0041]為了驗證同位素分離效果，在完成鋰同位素分離以后，利用無機質譜儀對同位素豐度進行測定，進而得到鋰同位素分離的單級分離系數(shù)?！揪唧w實施方式】為:向上述步驟(3)得到的石墨相鋰的氧化物中加入2mol/L HNO3使之轉化為石墨相LiNO3溶液；將電解池中的溶液部分取出并向溶液中加入同體積的2mol/L HNO3,利用強酸制弱酸原理將大部分鋰鹽轉化為溶液相LiNO3，然后將溶液在電爐上蒸發(fā)至盡干，再置于800攝氏度馬弗爐中加熱10小時，使之化學形式轉化為溶液相鋰的氧化物，再將溶液相鋰的氧化物用2mol/LHN03使之轉化為溶液相LiNO3溶液；將得到的石墨相和溶液相的兩種溶液分別用3%的HNO3稀釋至ppm (10_6)級，以3%HN03做空白，未進行同位素分離的天然豐度的LiCH3C00-3%HN03溶液做標準，利用無機質譜進行同位素豐度測定。得到兩相的同位素豐度比后按下式計算出單級分離系數(shù):
【權利要求】
1.一種鋰同位素分離方法，其特征在于，所述方法采用三電極電解體系，在電解池中設置工作電極、輔助電極和參比電極，其中工作電極為石墨薄片，電解質溶液為的醋酸鋰-二甲基亞砜溶液，包括以下步驟: (1)氧化還原反應:在恒溫、氬氣保護條件下，先進行恒電流電解，當所述工作電極的電壓下降至平穩(wěn)電壓時，轉換為恒電位電解，達到預定電解量時終止，反應時不斷攪拌； (2)同位素交換反應:繼續(xù)保持恒溫，將所述工作電極斷電，靜置后重新開始攪拌； (3)鋰同位素分離:從所述電解池中移出所述工作電極，用脫水己烷清洗，待脫水己烷徹底揮發(fā)后，將所述工作電極加熱，得到石墨相鋰的氧化物。
2.如權利要求1所述的鋰同位素分離方法，其特征在于，所述石墨薄片的厚度小于等于0.5暈米。
3.如權利要求1所述的鋰同位素分離方法，其特征在于，所述醋酸鋰-二甲基亞砜溶液的濃度為0.025?0.5mol/L。
4.如權利要求1所述的鋰同位素分離方法，其特征在于，其步驟(I)中的預定電解量為7?30庫倫。
5.如權利要求1所述的鋰同位素分離方法，其特征在于，其步驟(I)中的恒電流電流大小為-0.8?-1.1暈安。
6.如權利要求1所述的鋰同位素分離方法，其特征在于，其步驟(I)中的恒溫溫度為20?40攝氏度。
7.如權利要求1所述的鋰同位素分離方法，其特征在于，其步驟(2)中的靜置時間為4?10分鐘。
8.如權利要求1所述的鋰同位素分離方法，其特征在于，其步驟(2)中的重新開始攪拌的攪拌時間為I?5分鐘。
9.如權利要求1所述的鋰同位素分離方法，其特征在于，其步驟(3)中的工作電極加熱溫度為大于等于700攝氏度。
10.一種用于測定權利要求1?9中任意一種鋰同位素分離方法獲得的分離產(chǎn)物的單級分離系數(shù)的方法，其特征在于，包括以下步驟: (4)向步驟(3)得到的石墨相鋰的氧化物中加入2mol/LHNO3，使之轉化為石墨相LiNO3溶液； (5)將所述電解池中的電解質溶液取出，向取出的電解質溶液中加入同體積的2mol/LHNO3形成混合溶液，將混合溶液在電爐上蒸發(fā)至盡干，再置于800攝氏度馬弗爐中加熱10小時，得到溶液相鋰的氧化物，向所述溶液相鋰的氧化物中加入2mol/L HNO3,使之轉化為溶液相LiNO3溶液； (6)用3%HN03將所述石墨相LiNO3溶液和溶液相LiNO3溶液稀釋至ppm級，以3%HN03做空白對照，以3%HN03稀釋的天然豐度醋酸鋰溶液至ppm級為標準，利用無機質譜儀進行同位素豐度測定，計算得到單級分離系數(shù)。
【文檔編號】B01D59/40GK103736395SQ201310700494
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權日:2013年12月18日
【發(fā)明者】吳繼宗, 孫秉怡, 楊恩波, 鄭維明 申請人:中國原子能科學研究院