CN106179273A - 一种用于锂同位素分离的吸附剂及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于锂同位素分离领域，特别涉及一种用于锂同位素分离的吸附剂及其制备方法和应用。所述吸附剂由多孔聚合物树脂II与式(III)所示的苯并‑15‑冠‑5类化合物组成，其中，R＝H、硝基、氨基、丙烯酰胺、叔丁基；所述多孔聚合物树脂II为XAD‑7、AmberchromTMCG‑71、大孔SiO2类载体；苯并‑15‑冠‑5类化合物与多孔聚合物树脂II的质量比为0.25‑4。其制备方法包括预处理、活化、溶解和混合。本发明所述的吸附剂对锂同位素分离系数大，制备方法简单，易于在工业上应用，且对环境友好。

Description

一种用于锂同位素分离的吸附剂及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于锂同位素分离领域，特别涉及一种用于锂同位素分离的吸附剂及其制备方法和应用。
背景技术
锂是自然界中最轻的碱金属元素，存在多种同位素，其中6Li和7Li是两种天然稳定同位素，丰度分别为7.52％和92.48％，是核聚变反应所需的战略材料。聚变反应所需的氚(T)在自然界中几乎不存在，必须依赖于中子轰击6Li才能产生和增殖：
而重同位素7Li吸收截面极小(0.037b)，不仅作为核聚变反应堆的堆芯冷却剂和导热的载热剂，还能作为钍基熔盐的介质，并在轻水压水堆核电站主回路中以7LiOH·H2O形式作为pH及B-Li比的调节剂。将锂的同位素6Li和7Li分离的过程称为锂同位素分离，这是核能发展需要解决的关键技术，关系到国家能源战略的实施以及我国在国际可控聚变堆研发竞争中的地位。
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，锂汞齐法还在工业规模上实现了应用。该方法具有分离系数高、同位素交换速率极快等优点，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。如今，各国都在积极研究更为安全、高效的锂同位素分离方法。
自从Pedersen报道冠醚类化合物的合成及其对碱金属、碱土金属特殊的配位络合能力以来，基于冠醚化合物分离锂同位素的研究逐渐成为人们关注的热点。基于冠醚或穴醚的特殊络合作用实现锂同位素分离的方法可划分为液-液萃取法和固-液萃取法。液-液萃取法是化学交换分离锂同位素的一个重要方法，该方法虽然容易实现工业化处理，但是工艺复杂，需要经过萃取、交换和反萃等步骤，而且还存在难以反萃、萃取剂无法重复使用、消耗大量的有机溶剂和积累废物等问题。固-液萃取法的关键在于固相吸附剂的合成。以多孔聚合物树脂为载体，实现冠醚化合物的固定化，是有望实现锂同位素分离的良好途径。
发明内容
本发明提供了一种用于锂同位素分离的吸附剂及其制备方法和应用，具体技术方案如下：
一种用于锂同位素分离的吸附剂，所述吸附剂由多孔聚合物树脂II与式(III)所示的苯并-15-冠-5类化合物组成，
其中，R＝H、硝基、氨基、丙烯酰胺、叔丁基；
所述多孔聚合物树脂II为XAD-7、AmberchromTMCG-71、大孔SiO2类载体；
苯并-15-冠-5类化合物与多孔聚合物树脂II的质量比为0.25-4，优选为0.43-1.5。
如上所述吸附剂的制备方法，包括以下步骤：
(1)预处理：用无水乙醇将多孔聚合物树脂II清洗3-5次，以除去其中的杂质，并置于真空干燥箱中干燥过夜，除去其中残留的乙醇；
(2)活化：将多孔聚合物树脂II加入溶剂I中，室温下超声，然后在摇床中振荡，得到活化后的多孔聚合物树脂II；
(3)溶解：将式(III)所示的苯并-15-冠-5类化合物溶于溶剂I中，得到苯并-15-冠-5类化合物溶液；
(4)混合：将活化后的多孔聚合物树脂II与苯并-15-冠-5类化合物溶液混合，依次进行摇床振荡、抽真空灌注和真空干燥，得到所述用于锂同位素分离的吸附剂。
所述溶剂I为二氯甲烷、氯仿、甲醇、乙醇、4-甲基-2-戊酮、正丁醇、硝基苯、丙酮、乙腈。
步骤(1)中，所述苯并-15-冠-5类化合物与溶剂I的用量比为0.1g：(1.5-12)mL，优选0.1g:(2.5-6.25)mL；步骤(2)中，多孔聚合物树脂II与溶剂I的用量比为0.1g：(0.375-36)mL。
步骤(1)中，干燥温度为50℃。
步骤(2)中，超声时间为10-20min，摇床中振荡的时间为10-20min。
步骤(3)中，为了更好地溶解苯并-15-冠-5类化合物，可在溶解过程中进行超声。
步骤(4)摇床振荡过程中，振荡温度为-10-40℃，优选0-30℃；振荡时间为10-60h，优选18-36h；所述抽真空灌注利用旋转蒸发仪进行，加热温度为25-90℃，优选25-45℃；旋转时间为1-4.5h，优选1.5-2.5h；所述真空干燥为在真空状态40-50℃条件下干燥24h。
如上所述的吸附剂在锂同位素分离方面的应用，具体操作方法为：将含有锂离子的溶液与所述吸附剂混合后，在-10-35℃条件下，摇床振荡18-30h。
其中，含锂离子溶液的浓度为0.01-0.8mol/L，吸附剂与溶液的固液比为10-200mg/mL，优选50-100mg/mL。
本发明所述的吸附剂，对锂同位素分离系数(α＝(6Li/7Li)gel/(6Li/7Li)aq)大，制备方法简单，易于在工业上应用，且对环境友好。
附图说明
图1为本发明制备的吸附剂分离锂同位素的分离系数随锂盐浓度变化的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。实施例1
(1)预处理：用无水乙醇将市售产品XAD-7清洗3-5次，并置于真空干燥箱中干燥过夜；
(2)活化：将1.4g XAD-7加入氯仿中，室温下超声10min，然后在摇床中振荡10min，得到活化后的XAD-7；
(3)溶解、混合：称取0.6g苯并-15-冠-5于100mL圆底烧瓶中，加入30mL氯仿，超声使苯并-15-冠-5完全溶解，再与1.4g活化后的多孔聚合物树脂混合密封好；然后用摇床在25℃条件下振荡24h；振荡结束后，将体系移入水浴中于旋转蒸发仪上在25℃条件下旋蒸2h后，升温至40℃，继续旋蒸1h，直至混合物为松散的粉末，在这个过程中，苯并-15-冠-5通过毛细作用进入到经活化的XAD-7载体的孔隙中，最后在45℃真空条件下干燥24h，得到白色松散的吸附剂。
实施例2
(1)预处理：用无水乙醇将市售XAD-7清洗3-5次，并置于真空干燥箱中干燥过夜；
(2)活化：将1.2gXAD-7加入硝基苯中，室温下超声10min，然后在摇床中振荡10min，得到活化后的XAD-7；
(3)溶解、混合：称取0.8g 4-硝基苯并-15-冠-5于100mL圆底烧瓶中，加入30mL硝基苯，超声使4-硝基苯并-15-冠-5完全溶解，再与1.2g活化后的多孔聚合物树脂混合密封好；然后用摇床在40℃条件下振荡30h；振荡结束后，将体系移入水浴中于旋转蒸发仪上在60℃条件下旋蒸2h后，升温至80℃，继续旋蒸1h，直至混合物为松散的粉末，在这个过程中，4-硝基苯并-15-冠-5通过毛细作用进入到经活化的XAD-7载体的孔隙中，最后在50℃真空条件下干燥24h，得到黄色松散的吸附剂。
实施例3
(1)预处理：用无水乙醇将市售AmberchromTMCG-71清洗3-5次，并置于真空干燥箱中干燥过夜；
(2)活化：将1.0gAmberchromTMCG-71加入4-甲基-2-戊酮中，室温下超声15min，然后在摇床中振荡15min，得到活化后的AmberchromTMCG-71；
(3)溶解、混合：称取1.0g 4-氨基苯并-15-冠-5于100mL圆底烧瓶中，加入30mL4-甲基-2-戊酮，超声使4-氨基苯并-15-冠-5完全溶解，再与1.0g活化后的多孔聚合物树脂混合密封好；然后用摇床在30℃条件下振荡24h；振荡结束后，将体系移入水浴中于旋转蒸发仪上在40℃条件下旋蒸2h后，升温至50℃，继续旋蒸1h，直至混合物为松散的粉末，在这个过程中，4-氨基苯并-15-冠-5通过毛细作用进入到经活化的AmberchromTMCG-71载体的孔隙中，最后在45℃真空条件下干燥24h，得到褐色松散的吸附剂。
实施例4
(1)预处理：用无水乙醇将市售AmberchromTMCG-71清洗3-5次，并置于真空干燥箱中干燥过夜；
(2)活化：将0.8gAmberchromTMCG-71加入乙腈中，室温下超声15min，然后在摇床中振荡15min，得到活化后的AmberchromTMCG-71；
(3)溶解、混合：称取1.2g 4-丙烯酰胺苯并-15-冠-5于100mL圆底烧瓶中，加入25mL乙腈，超声使4-丙烯酰胺苯并-15-冠-5完全溶解，再与0.8g活化后的多孔聚合物树脂混合密封好；然后用摇床在25℃条件下振荡24h；振荡结束后，将体系移入水浴中于旋转蒸发仪上在25℃条件下旋蒸2h后，升温至40℃，继续旋蒸1h，直至混合物为松散的粉末，在这个过程中，4-丙烯酰胺苯并-15-冠-5通过毛细作用进入到经活化的AmberchromTMCG-71载体的孔隙中，最后在45℃真空条件下干燥24h，得到粉色松散的吸附剂。
实施例5
(1)预处理：用无水乙醇将市售AmberchromTMCG-71清洗3-5次，并置于真空干燥箱中干燥过夜；
(2)活化：将0.4gAmberchromTMCG-71加入丙酮中，室温下超声20min，然后在摇床中振荡20min，得到活化后的AmberchromTMCG-71；
(3)溶解、混合：称取1.6g 4-叔丁基苯并-15-冠-5于100mL圆底烧瓶中，加入25mL丙酮，超声使4-叔丁基苯并-15-冠-5完全溶解，再与0.4g活化后的多孔聚合物树脂混合密封好；然后用摇床在25℃条件下振荡20h；振荡结束后，将体系移入水浴中于旋转蒸发仪上在25℃条件下旋蒸2h后，升温至30℃，继续旋蒸1h，直至混合物为松散的粉末，在这个过程中，4-叔丁基苯并-15-冠-5通过毛细作用进入到经活化的AmberchromTMCG-71载体的孔隙中，最后在40℃真空条件下干燥24h，得到浅黄色松散的吸附剂。
静态吸附实验：
制备5种含有锂离子的溶液，浓度分别为0.05mol/L、0.1mol/L、0.3mol/L、0.5mol/L、0.8mol/L。
实施例6
将0.1g实施例1制备得到的吸附剂和2mL0.05mol/L含锂离子溶液置于10mL塑料离心管中，放入到摇床中在25℃，振荡速率为200rpm条件下振荡24h，过滤，收集水相，用于测试，测试结果如图1所示。
实施例7
将0.1g实施例1制备得到的吸附剂和2mL0.1mol/L含锂离子溶液置于10mL塑料离心管中，放入到摇床中在25℃，振荡速率为200rpm条件下振荡24h，过滤，收集水相，用于测试，测试结果如图1所示。
实施例8
将0.1g实施例1制备得到的吸附剂和2mL 0.3mol/L含锂离子溶液置于10mL塑料离心管中，放入到摇床中在25℃，振荡速率为200rpm条件下振荡24h，过滤，收集水相，用于测试，测试结果如图1所示。
实施例9
将0.1g实施例1制备得到的吸附剂和2mL 0.5mol/L含锂离子溶液置于10mL塑料离心管中，放入到摇床中在25℃，振荡速率为200rpm条件下振荡24h，过滤，收集水相，用于测试，测试结果如图1所示。
实施例10
将0.1g实施例1制备得到的吸附剂和2mL 0.8mol/L含锂离子溶液置于10mL塑料离心管中，放入到摇床中在25℃，振荡速率为200rpm条件下振荡24h，过滤，收集水相，用于测试，测试结果如图1所示。
由图1可以看出，本发明所述的吸附剂对锂同位素有很好的分离效果，在锂离子浓度为0.5mol/L时，负载苯并-15-冠-5多孔聚合物吸附剂效果最佳。

Claims (10)

1.一种用于锂同位素分离的吸附剂，其特征在于，所述吸附剂由多孔聚合物树脂II与式(III)所示的苯并-15-冠-5类化合物组成，
其中，R＝H、硝基、氨基、丙烯酰胺、叔丁基；
所述多孔聚合物树脂II为XAD-7、AmberchromTMCG-71、大孔SiO2类载体；
苯并-15-冠-5类化合物与多孔聚合物树脂II的质量比为0.25-4。
2.根据权利要求1所述的吸附剂，其特征在于，苯并-15-冠-5类化合物与多孔聚合物树脂II的质量比为0.43-1.5。
3.权利要求1或2所述吸附剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)预处理：用无水乙醇将多孔聚合物树脂II清洗3-5次后，置于真空干燥箱中干燥过夜；
(2)活化：将多孔聚合物树脂II加入溶剂I中，室温下超声，然后在摇床中振荡，得到活化后的多孔聚合物树脂II；
(3)溶解：将式(III)所示的苯并-15-冠-5类化合物溶于溶剂I中，得到苯并-15-冠-5类化合物溶液；
(4)混合：将活化后的多孔聚合物树脂II与苯并-15-冠-5类化合物溶液混合，依次进行摇床振荡、抽真空灌注和真空干燥，得到所述用于锂同位素分离的吸附剂。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂I为二氯甲烷、氯仿、甲醇、乙醇、4-甲基-2-戊酮、正丁醇、硝基苯、丙酮、乙腈。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述苯并-15-冠-5类化合物与溶剂I的用量比为0.1g：(1.5-12)mL，步骤(2)中多孔聚合物树脂II与溶剂I的用量比为0.1g：(0.375-36)mL。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，干燥温度为50℃。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，超声时间为10-20min，摇床中振荡的时间为10-20min。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)摇床振荡过程中，振荡温度为-10-40℃，振荡时间为10-60h；所述抽真空灌注利用旋转蒸发仪进行，加热温度为25-90℃，旋转时间为1-4.5h；所述真空干燥为在真空状态40-50℃条件下干燥24h。
9.权利要求1或2所述的吸附剂在锂同位素分离方面的应用，其特征在于，具体操作方法为：将含有锂离子的溶液与所述吸附剂混合后，在-10-35℃条件下，摇床振荡18-30h。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，含锂离子溶液的浓度为0.01-0.8mol/L，吸附剂与溶液的固液比为10-200mg/mL。
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