一種利用膜萃取進(jìn)行鋰同位素分離富集的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于同位素分離富集技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用膜萃取進(jìn)行鋰同位素分離富集的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰作為一種新興能源金屬，被稱為工業(yè)味精，具有兩種穩(wěn)定同位素，6Li和7Li，其在自然界中的天然豐度分別約為7.5%和92.5%。
[0003]6Li和7Li在核反應(yīng)中有著極其重要的作用，6Li是必不可少的核聚變堆燃料，中子轟擊6Li后生成氚和氦，使得聚變堆中氚能不斷增殖，產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱核反應(yīng)，放出大量的能力，因此6Li作為核反應(yīng)堆中理想核燃料在核發(fā)電和氫彈生產(chǎn)中具有非常重要的作用。美國(guó)Argone Nat1nal Laboratory預(yù)計(jì)每座120MW的核聚變電站每年僅需0.7噸6Li。7Li基于本身較小的熱中子吸收界面(0.037b)的優(yōu)勢(shì)，是核聚變反應(yīng)堆的堆心冷卻劑和導(dǎo)熱的載熱劑必須原料，7Li還可以作為釷堆熔鹽介質(zhì)。然而7Li和6Li在自然界中都是混合存在的，無(wú)法實(shí)現(xiàn)以上提及的作用，在實(shí)際過程中需要較高豐度的鋰同位素，如第四代核裂變反應(yīng)堆-釷基熔鹽堆需要純度大于99.9%的7Li，因此需要將7Li和6Li兩種鋰同位素進(jìn)行分離富集以進(jìn)一步應(yīng)用。
[0004]然而7Li和6Li僅有一個(gè)中子的差別造成了鋰同位素富集較為困難，一直以來(lái)世界各國(guó)對(duì)鋰的同位素分離都在緊張秘密地進(jìn)行。目前鋰同位素分離的方法，大致可分為化學(xué)法和物理法?；瘜W(xué)法包括鋰汞齊法、離子交換色層分離、萃取、分級(jí)結(jié)晶和分級(jí)沉淀等；物理法包括電磁法、熔鹽電解法、電子迀移、分子蒸餾和激光分離等(肖嘯菴等，同位素分離，1996 ;顧志國(guó)等，化學(xué)進(jìn)展，23，9)。
[0005]目前，已用于工業(yè)生產(chǎn)的方法只有鋰未齊法(Palko, A, A，et al.J, Chem.Phys,1976，64，1828)。鋰汞齊法要使用大量金屬汞，受汞量不足和環(huán)境污染限制難以大規(guī)模提高生產(chǎn)能力，不能滿足民用核能對(duì)鋰同位素的需求。專利CN103768945A介紹了一種sol-gel材料萃取分離同位素的固液萃取方法，采用離子液體使sol-gel形成介孔材料，負(fù)載苯并冠醚進(jìn)行萃取分離同位素。專利CN103386299A公布了一種類似的固液萃取分離同位素的方法，采用復(fù)合膜作為載體負(fù)載具有鋰同位素分離效果的冠醚或穴醚材料進(jìn)行鋰同位素分離，該技術(shù)又稱為膜色譜技術(shù)；CN103736395A中利用石墨-有機(jī)電解質(zhì)體系實(shí)現(xiàn)鋰同位素的分離，包括氧化還原-交換反應(yīng)及鋰同位素的分離三個(gè)步驟。
[0006]針對(duì)液液萃取方法，關(guān)于萃取劑的研宄有I)江南大學(xué)專利CN102430338A公開了一種鋰同位素液液萃取分離的方法，采用雜氮菲和離子液體作為萃取劑和協(xié)萃劑與堿性水相萃取劑進(jìn)行液液萃取分離鋰同位素，但是單級(jí)萃取率低(不足20% )，除了原料中離子液體昂貴外，沒有報(bào)道多級(jí)富集結(jié)果。2)中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研宄所申請(qǐng)的專利CN103801194A公開了一種分離鋰同位素的萃取劑并采用離心機(jī)進(jìn)行多級(jí)鋰同位素富集的實(shí)例。
[0007]傳統(tǒng)的萃取過程以“分散-聚合”的形式進(jìn)行萃取實(shí)現(xiàn)鋰同位素的富集，分散必然存在夾帶和反混的問題，此外常規(guī)液液萃取對(duì)萃取劑的物理性質(zhì)如溶解度、粘度、表面張力等要求較高。目前進(jìn)行鋰同位素富集的萃取技術(shù)有萃取塔，混合澄清槽，離心萃取器，其中萃取塔容易反混，混合澄清槽占地面積大，操作難，而離心萃取器能耗過高。膜萃取是膜過程與液液萃取過程集合形成的一種分離技術(shù)，在膜萃取過程中萃取相和被萃取相的物料分別在膜兩側(cè)，其傳質(zhì)發(fā)生在膜表面或膜內(nèi)部，避免了物料液相與萃取相直接接觸，與傳統(tǒng)萃取技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)為:避免萃取劑在物料相中的夾帶損失，避免了液泛的限制減少了反混的影響，此外膜的堆積密度較高，傳質(zhì)效率高，模塊化易于規(guī)模放大，無(wú)放大效應(yīng)，富集萃取級(jí)數(shù)僅僅靠增加膜組件即可實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是，提供一種利用膜萃取進(jìn)行鋰同位素分離富集的方法和應(yīng)用，主要解決現(xiàn)有技術(shù)中鋰同位素分離能耗高、效率低的技術(shù)問題。
[0009]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
[0010]一種利用膜萃取進(jìn)行鋰同位素分離富集的方法，該方法為:采用膜萃取分離，料液相和萃取相分別在膜兩側(cè)流動(dòng)；所述料液相為含有鋰同位素6Li和7Li的水溶液；所述萃取相為有機(jī)相，其中包含對(duì)6Li或者7Li具有富集效果的萃取劑，通過膜對(duì)料液相中的鋰同位素進(jìn)行富集。所述料液相和萃取相在膜兩側(cè)流動(dòng)時(shí)其流動(dòng)方向?yàn)椴⒘骰蛘吣媪骶伞?br>[0011]進(jìn)一步地，所述方法還包括:所述萃取相富集鋰同位素后，通過反萃使富集的鋰同位素進(jìn)入水相；所述反萃相為鹽酸溶液。所述鹽酸溶液作為反萃相的濃度為1.0?1.2mol/Lo也就是說，所述鋰同位素的分離富集方法包括膜萃取和反萃兩個(gè)部分，其中鋰同位素在膜萃取階段進(jìn)行富集，富集后的鋰同位素在反萃階段取出。
[0012]上述鋰同位素富集分離的詳細(xì)實(shí)施方案為:采用膜萃取技術(shù)，含有6Li和7Li的水相與空載鋰的有機(jī)相在膜萃取階段發(fā)生萃取，鋰同位素在膜界面與有機(jī)相中的萃取劑結(jié)合進(jìn)入有機(jī)相，使有機(jī)相中具有更高豐度的鋰同位素，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰同位素的富集。富集了鋰同位素的有機(jī)相再通過反萃，將有機(jī)相中更高豐度的鋰同位素轉(zhuǎn)移至水相；該水相可作為終產(chǎn)品，或者回流至萃取階段作為含鋰水相繼續(xù)進(jìn)行膜萃取以實(shí)現(xiàn)同位素的進(jìn)一步富集，最終取得更高豐度的鋰同位素產(chǎn)品。
[0013]優(yōu)選地，所述膜萃取中采用的膜為具有離子傳遞功能且耐酸堿、耐有機(jī)溶劑的膜。由于膜萃取過程中膜的兩側(cè)分別為水相和有機(jī)相，水相中含有堿，因此所使用的膜需要對(duì)酸堿水溶液和有機(jī)溶劑都能夠耐受；由于同位素鋰需要從水相穿過膜進(jìn)入有機(jī)相，因此所使用的膜需要具有離子傳遞功能。具體地，所述膜可采用聚乙烯多孔中空纖維膜、聚四氟乙烯平板膜、聚乙烯乙烯醇平板膜或者聚乙烯乙烯醇中空纖維膜。
[0014]優(yōu)選地，所述對(duì)7Li具有富集效果的萃取劑為1-苯基偶氮-2-萘酚和甲基三辛基氯化銨的混合物。其中，1-苯基偶氮-2-萘酚與甲基三辛基氯化銨的摩爾比為2:1?4:1。該萃取體系中采用的有機(jī)溶劑為鄰二氯苯，萃取劑1-苯基偶氮-2-萘酚的濃度為0.4mol/L，甲基三辛基氯化銨的濃度為0.1?0.2mol/Lo
[0015]優(yōu)選地，所述對(duì)6Li具有富集效果的萃取劑為冠醚化合物。具體地，所述萃取劑采用冠醚化合物中的苯并-15-冠醚-5。
[0016]優(yōu)選地，所述料液相為含有6Li和7Li同位素和強(qiáng)堿的水溶液。所述強(qiáng)堿為氫氧化鈉，在水溶液中的濃度為0.5?lmol/L。
[0017]本發(fā)明還提供一種利用膜萃取進(jìn)行鋰同位素分離富集的裝置，其特征在于，該裝置包括:
[0018]膜萃取單元:包括用于膜萃取的多級(jí)膜組件，每一級(jí)膜組件中具有能夠進(jìn)行離子傳遞的膜，料液相和萃取相通過在所述膜兩側(cè)流動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)6Li或7Li的富集，所述料液相為含有6Li和7Li的水溶液，所述萃取相為有機(jī)相，其中包含對(duì)6Li或者7Li具有富集效果的萃取劑；
[0019]反萃單元:與前述萃取單元中的最后一級(jí)膜組件相連，用于對(duì)前述膜萃取單元中已富集6Li或7Li的萃取相進(jìn)行反萃，使萃取相中的6Li或7Li進(jìn)入水相。
[0020]所述料液相和萃取相在膜兩側(cè)的流動(dòng)方向?yàn)椴⒘骰蛘吣媪鳌?br>[0021]所述膜組件的級(jí)數(shù)根據(jù)最終富集的同位素豐度要求進(jìn)行確定，同位素豐度要求越高，對(duì)應(yīng)的膜組件級(jí)數(shù)也越高。
[0022]多級(jí)膜組件之間料液相和萃取相的流動(dòng)方式為:通過該級(jí)膜萃取后的萃取相進(jìn)入后一級(jí)膜組件，而通過該級(jí)膜萃取的料液相則進(jìn)入前一級(jí)膜組件；最終，萃取相從最后一級(jí)膜組件中流出，然后進(jìn)入反萃單元。
[0023]所述膜組件選自平板膜組件、中空纖維膜組件或管式膜組件。
[0024]所述反萃單元選自反萃膜組件、混合澄清槽、萃取塔或離心萃取器其中至少其一的結(jié)構(gòu)單元。所述萃取塔可以采用震動(dòng)塔，篩板塔，填料塔，轉(zhuǎn)盤塔等。反萃后獲得膜萃取富集后的鋰同位素水相可以取部分或全部作為終產(chǎn)品，也可以部分或全部回流進(jìn)入膜萃取階段進(jìn)行進(jìn)一步富集，以獲取更高豐度的鋰同位素。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下:
[0026]1、本發(fā)明采用膜萃取法實(shí)現(xiàn)鋰同位素的分離富集，是一種簡(jiǎn)單、高效、低能耗的工藝方法，具有占地面積小、運(yùn)行穩(wěn)定、易于規(guī)?；葍?yōu)勢(shì)。
[0027]2、膜萃取法用于鋰同位素的分離富集無(wú)放大效應(yīng)，規(guī)模擴(kuò)大化只需增加相應(yīng)的膜組件就可實(shí)現(xiàn)，且可以通過調(diào)整膜萃取組件的數(shù)量即可獲得不同豐度的鋰同位素產(chǎn)品。
[0028]3、采用膜萃取進(jìn)行鋰同位素的富集無(wú)萃取塔的液泛操作問題，避免了混合澄清槽的難以操作的缺陷，膜萃取法富集鋰同位素所需能耗極低，僅僅需流體驅(qū)動(dòng)能耗即可，且無(wú)放熱等問題，克服了離心萃取富集鋰同位素的高能耗和放熱大的缺點(diǎn)，此外膜組件內(nèi)的兩相對(duì)流量的波動(dòng)具有緩沖作用，進(jìn)而避免了流量波動(dòng)造成的同位素難以富集的問題。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明中利用二級(jí)膜萃取對(duì)鋰同位素進(jìn)行分離富集的裝置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。以下采用的試劑材料如未特別說明，均為商業(yè)化產(chǎn)品。
[0031]參見圖1，該圖為利用二級(jí)膜萃取對(duì)鋰同位素進(jìn)行分離富集的裝置示意圖。如圖所示，該裝置包括有膜組件1、膜組件2和反萃單元3，一次串聯(lián)連接。其中膜組件I包括料液區(qū)11、萃取區(qū)12和膜13。膜組件2包括料液區(qū)21、萃取區(qū)22和膜23。在萃取階段，首先，含有天然豐度的鋰同位素水溶液作為料液相從膜組件2中的料液區(qū)21進(jìn)入，含有萃取劑的有機(jī)相作為萃取相從膜組件I中的萃取區(qū)12進(jìn)入；料液相從料液區(qū)21流出后進(jìn)入膜組件I中的料液區(qū)11，從料液區(qū)11流出，萃取相從萃取區(qū)12流出，進(jìn)入膜組件2中的萃取區(qū)22 ;從萃取區(qū)22流出的萃取相進(jìn)入反萃單元3進(jìn)行反萃取。
[0032]在萃取階段，含有鋰同位素的料液相與萃取相在膜界面發(fā)生交換，鋰同位素中的6Li或7Li在膜界面與有機(jī)相中的萃取劑