CN115582021B - 锂同位素的毛细管多级界面富集体系及分离富集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锂同位素的毛细管多级界面富集体系及分离富集方法。所述毛细管多级界面富集体系包括锂盐水溶液、非锂盐水溶液以及一根以上毛细管，所述毛细管的两端分别置于所述锂盐水溶液和非锂盐水溶液中，所述毛细管內交替设置有复数个有机相溶液和水相溶液，所述有机相溶液与水相溶液之间形成多个液‑液界面，所述毛细管內靠近锂盐水溶液的一段的溶液为有机相溶液；所述毛细管的两端设置有封堵物，且所述封堵物允许锂离子通过。本发明提供的锂同位素的毛细管多级界面富集体系通过在毛细管内设置尽量多的水相‑有机相界面，以实现体系锂‑6富集效应的叠加，获取锂‑6的高富集效率。

Description

锂同位素的毛细管多级界面富集体系及分离富集方法
技术领域
本发明属于锂同位素分离富集技术领域，具体涉及一种锂同位素的毛细管多级界面富集体系及分离富集方法。
背景技术
高丰度锂同位素在国民经济中具有重要作用。30％～90％丰度的6Li是聚变反应堆不可或缺的原料，也被用于各种中子探测器。随着聚变反应堆技术的成熟，未来数十年内国内外市场对6Li的需求将与日俱增。而6Li的自然丰度仅为7.5％，无法直接应用于上述领域，必须需要对自然丰度的锂盐进行锂-6富集。
锂-6的多级富集方法主要包括萃取法、膜法、汞齐法、色谱法、电迁移法等。其中，萃取法首先要实现水相和有机相中锂-6和锂-7的离子交换平衡，进而利用水相和有机相中锂离子化学形态差异造成的同位素分布差异实现同位素的分离。其多级分离时，上级结束之后，下级开始之前必须进行有机相或水相的补充或更换，在同一分离级时，体系组成和料液中锂-6的初始丰度就决定了出口料液中锂-6的最终丰度。萃取法多级分离过程中，每级均需达到浓度和丰度平衡，初始料液的初始丰度在很大程度上决定了每级平衡后的富集相丰度；为实现料液中锂同位素丰度的持续提升，必然要对上一级平衡后的有机相反萃，以获得用于下一级分离所需的具有更高初始丰度的水相料液；在萃取-反萃的循环过程中，可用于下一级分离的锂离子总量不断减少，为获取少量高丰度样品，必然需要反复处理大量的初始料液和中间料液，这极大提升了工艺的繁复程度。可以看出萃取法分离锂同位素，单级分离系数低，为提高目标同位素丰度，需要反复进行萃取、反萃、擦洗、浓缩等流程，工艺繁复而低效。
膜法存在两种途径，一是膜代替反应界面，为水相和有机相中锂同位素的交换提供环境，主要起到分隔作用，其本质仍为类似于萃取法的锂同位素化学交换；二是膜具备选择性分离功能，通过多级膜分离以获取目标丰度的锂同位素样品。天津工业大学严峰课题组以冠醚接枝的高分子聚合多孔膜分离锂同位素，含锂料液依次穿过多级分离膜，锂离子负载于膜上，随后以盐酸溶液对负载锂的分离膜进行淋洗，收集不同阶段的淋洗液，可获得具有不同丰度的锂盐料液。在此过程中，极低的分离效率、反复的负载和洗脱均限制了该方法的进一步发展。此外，分离膜上有限的冠醚接枝量和部分难以洗脱的锂离子均极大影响了锂同位素的富集效率和长期应用效果。
汞齐法主要是利用锂盐水溶液和锂汞齐中的同位素亲和性差异实现同位素分离，其多级分离与萃取法类似，在同一分离级时，体系组成和料液中锂同位素的初始丰度就决定了出口料液中锂同位素的最终丰度。据公开资料，锂汞齐法是锂同位素工业化生产的唯一方法，其需要使用到大量的汞，存在严重的环境隐患，已逐步淘汰。
电迁移法的工作原理包括：利用锂同位素离子迁移速率差异实现分离，该方法只能在最前端或最末端采集到具有较高分离效应的料液，比例极低；利用隔膜对锂同位素不同的选择性实现同位素分离，其分离效应极低，尤其是在多级分离过程中，分离效应尚未能实现有效叠加；利用溶液中锂离子不同化学形态对应的不同迁移能力和不同的同位素丰度实现分离，其分离效应仍有待提高。日本原子能机构等单位所开发的电迁移分离方法需要使用注有离子液体的特殊隔膜，其认为离子液体的加入使得膜具有筛分作用，进而实现锂同位素分离。其所发表的论文数据所展示的分离机理和分离规律与专利申请的机理和规律相差甚远。更重要的是，当水相和膜中的有机相平行分布时，膜中的有机相逐渐下沉和溶解，两侧的水相易于连接到一起，锂离子直接通过水相传递，使得中间有机相无法发挥作用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种锂同位素的毛细管多级界面富集体系及分离富集方法，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种锂同位素的毛细管多级界面富集体系，所述毛细管多级界面富集体系包括锂盐水溶液、非锂盐水溶液以及一根以上毛细管，所述毛细管的两端分别置于所述锂盐水溶液和非锂盐溶液中，所述毛细管內交替设置有复数个有机相溶液和水相溶液，所述有机相溶液与水相溶液之间形成多个液-液界面，所述毛细管內靠近锂盐水溶液的一段的溶液为有机相溶液；所述毛细管的两端设置有封堵物，且所述封堵物允许锂离子通过。
本发明实施例还提供了一种6Li同位素的分离富集方法，其包括：
提供前述的锂同位素的毛细管多级界面富集体系，待锂离子充分迁移后，从而在所述毛细管多级界面富集体系中远离锂盐水溶液的一端实现6Li同位素的富集。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明仅需少量液相，且无需隔板分隔两级之间的水相或有机相，水相和有机相的相互位置不是垂直的上下，而是水平的左右，锂离子的迁移路线不是利用密度差形成的凸凹凸的曲折形状，而是更为有利的一字形直线迁移分离路线，其分离效率更高；
(2)本发明利用的是锂离子自水相进入有机相过程中，界面对锂-6离子的选择性富集效应，该效应无需受制于水相-有机相中的锂离子和锂同位素分配平衡；可以长期持续，易于实现分离效应的多级叠加；
(3)本发明设计的多级界面分离体系，达到了一级给料，多级分离的效果，多级叠加的同位素分离效应显著高于单级萃取或电迁移分离；
(4)本发明除去进料级和目标级的料液需要进行循环和必要的调节外，其它分离级的料液在较长时间内无需任何改变，料液处理量显著降低；
(5)本发明实现了、穴醚、杯芳烃等萃取剂的多功能化利用，利用了、穴醚、杯芳烃等的相转移性能、对锂-6离子的选择性富集性能、与锂离子螯合物的弱结合性能；
(6)本发明通过在有限距离内设置多级水相-有机相界面，在保持较高锂离子传输通量的情况下，提高了单位距离内的分离效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一典型实施方案中单根毛细管多级界面富集体系的示意图；
图2是本发明一典型实施方案中多根毛细管多级界面富集体系的示意图；
图3是本发明一典型实施方案中多组毛细管的多级界面分离体系的示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，本发明利用毛细管中液体在管壁上的附着力以及水相和有机相的不互溶效应，在毛细管内分别依次通入水相和有机相溶液或有机相和水相溶液，形成多个水相和有机相交替相邻的液-液界面，并应用于锂同位素分离。与利用密度差形成多级分离界面相比，本发明仅需少量液相，且无需隔板分隔两级之间的水相或有机相，水相和有机相的相互位置不是垂直的上下，而是水平的左右，锂离子的迁移路线不是利用密度差形成的凸凹凸的曲折形状，而是更为有利的一字形直线迁移分离路线，其分离效率更高。
下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明利用毛细管内液体在管壁上的附着力，实现水相和有机相在毛细管内的交替相邻分布，进而形成了水相-有机相的多重界面，利用所得的水相-有机相多级界面的分离体系，实现了单级界面分离效应的多次叠加，强化了体系的分离效应；本发明利用了冠醚、穴醚、杯芳烃等化合物的三重性能，首先，利用上述化合物的相转移性能实现了锂离子由水相至有机相的相转移；其次，利用了上述化合物对锂-6的选择性富集性能实现了锂-6的逐级富集；最后，利用了上述化合物与锂离子之间较弱的结合能力，实现了锂离子在有机相内以及自有机相向水相中的相转移。总之，上述化合物的应用使得体系同时具备了锂离子跨界面传输和锂-6逐级富集能力；(3)本发明通过设置多级界面，利用的是冠醚、穴醚、杯芳烃等在界面处对锂-6离子的选择性传输能力，而非水相和有机相离子交换平衡后的锂同位素分布差异，本发明叠加的是多级界面处的锂-6富集效应，与锂同位素离子在两相中的交换平衡无关。
具体的，作为本发明技术方案的一个方面，其所涉及的一种锂同位素的毛细管多级界面富集体系包括锂盐水溶液、非锂盐水溶液以及一根以上毛细管，所述毛细管的两端分别置于所述锂盐水溶液和非锂盐溶液中，所述毛细管內交替设置有复数个有机相溶液和水相溶液，所述有机相溶液与水相溶液之间形成多个液-液界面，所述毛细管內靠近锂盐水溶液的一段的溶液为有机相溶液；所述毛细管的两端设置有封堵物，且所述封堵物允许锂离子通过。
本发明中通过在毛细管内构筑一个水相-有机相-水相-有机相-······-水相的多级界面分离体系；其次，封堵毛细管两端开口，封堵物允许锂离子通过；再次，毛细管两端分别放置于锂盐水溶液和非锂盐溶液中；再次，驱动锂离子在毛细管中迁移；最后，在非锂盐溶液中采集目标溶液；其中，单根毛细管分离体系如图1所示(其中水相、有机相交替平行分布，形成具有多个水相-有机相界面的多级分离体系，多界面体系中不允许有明显的气泡存在)，多根毛细管分离体系如图2所示(其中，装配液体的毛细管可多个平行排列，其同侧的一端可浸没于同一溶液)。
本发明中的锂盐水溶液亦可替换为锂盐有机相，此时毛细管內靠近锂盐有机相的一段的溶液为水相溶液。
在一些优选实施方案中，所述毛细管的材质为绝缘材质。
在一些优选实施方案中，所述毛细管的内径为0.1～2.0mm。
在一些优选实施方案中，所述封堵物包括水凝胶、有机凝胶、锂离子快导体中的任意一种，且不限于此。
进一步地，所述封堵物具备一定的机械强度，可以放置毛细管内液体外逸，但并不影响锂离子的传输。
在一些优选实施方案中，所述毛细管中单个水相溶液的长度为0.2～1.5cm。
在一些优选实施方案中，所述毛细管中单个有机相溶液的长度为0.2～1.5cm。
在一些优选实施方案中，所述毛细管中液-液界面的数量为3～200。
在一些优选实施方案中，所述锂盐水溶液的浓度为0.5～10mol/L。
进一步地，所述锂盐水溶液中的锂盐包括氯化锂、溴化锂、碘化锂、硫酸锂、硒酸锂、磷酸锂、磷酸氢二锂、砷酸锂、硝酸锂、亚硝酸锂、硼酸锂、高氯酸锂、氯酸锂、溴酸锂、碘酸锂、双三氟磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、三氟乙酸锂、醋酸锂、三氯乙酸锂、氰化锂、硫氰酸锂、氢氧化锂中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
进一步地，所述锂盐在水中具有一定溶解度(溶解度≥0.5mol/L)，且可稳定存在的锂盐。
在一些优选实施方案中，所述锂同位素的毛细管多级界面富集体系不外加电场时，所述非锂盐水溶液可为水。
本发明中，所述有机相溶液与水相溶液为互不相溶体系。
在一些优选实施方案中，所述水相溶液包括水和/或非锂盐水溶液，且不限于此。
其中，所述毛细管多级界面富集体系外加电场时，所述水相溶液为非锂盐水溶液，没有电场时，所述水相溶液为水或非锂盐水溶液。
进一步地，所述非锂盐水溶液的浓度在0.1mol/L以下(该部分添加适量盐类，主要是降低电场作用下水溶液的电阻)。
进一步地，所述非锂盐水溶液中的阳离子不与所述有机相发生反应形成沉淀。
进一步地，所述水相溶液中的非锂盐在水中具有一定溶解度(溶解度≥0.1mol/L)，且可稳定存在的非锂盐，阳离子种类不限，但不可与有机相成分反应生成沉淀，或在体系pH值发生变化后生成沉淀。
在一些优选实施方案中，所述有机相溶液包括锂离子相转移剂、萃取剂、稀释剂及锂离子辅助迁移剂，其中，所述萃取剂对锂-6具有选择性富集效应。
进一步地，所述毛细管中有机相内的络合剂浓度可以为逐级递减分布。
进一步地，所述锂离子相转移剂包括冠醚、冠醚衍生物、穴醚、穴醚衍生物、杯芳烃、杯芳烃衍生物、聚乙二醇、聚乙二醇衍生物、聚乙二醇醚、聚乙二醇醚衍生物、吡啶、吡啶衍生物、季铵盐、季鏻盐、环糊精、环糊精衍生物、叔胺中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
进一步地，所述萃取剂包括冠醚、冠醚衍生物、穴醚、穴醚衍生物、杯芳烃、杯芳烃衍生物中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
例如，所述冠醚及冠醚衍生物：单个冠醚环上有3～10个氧原子，其中1～2个氧原子可以被氮原子取代，冠醚环上优选苯环、萘环、长链烷烃、环烷烃作为取代基，苯环、萘环、长链烷烃、环烷烃上可进一步结合卤素、硝基、胺基、酰基。单个分子可包含1～4个冠醚环，冠醚环所在的化合物可以为分子，也可以为离子。
例如，所述穴醚及穴醚衍生物：优选(2,2,1)、(2,1,1)、(2,2,2)，穴醚环上优选苯环、萘环、长链烷烃、环烷烃作为取代基，苯环、萘环、长链烷烃、环烷烃上可进一步结合卤素、硝基、胺基、酰基。单个分子可包含1～4个穴醚环，穴醚环所在的化合物可以为分子，也可以为离子。
例如，所述杯芳烃及杯芳烃衍生物：杯[n]芳烃(n＝4～10),其中苯环可为杂环替代，亚甲基可为含硫、氮、磷原子的基团替代。苯环、杂环上可进一步结合卤素、硝基、胺基、酰基。单个分子可包含1～4个冠醚环，冠醚环所在的化合物可以为分子，也可以为离子。
进一步地，所述锂离子辅助迁移剂包括咪唑类离子液体和/或吡啶类离子液体，且不限于此。
例如，所述咪唑类离子液体的阳离子包括：取代基为烷烃基、烷羟基、烯烃基、携带羧基、羰基官能团烃基的咪唑阳离子，阴离子包括：卤素阴离子、双三氟磺酰亚胺根、硫氰酸根、乙基硫酸根、醋酸根、六氟磷酸根、四氟硼酸根、硝酸根、三氟乙酸根。
例如，所述吡啶类离子液体的阳离子包括：取代基为烷烃基、烷羟基、烯烃基、携带羧基、羰基官能团烃基的吡啶阳离子，阴离子包括：卤素阴离子、双三氟磺酰亚胺根、硫氰酸根、乙基硫酸根、醋酸根、六氟磷酸根、四氟硼酸根、硝酸根、三氟乙酸根
进一步地，所述稀释剂包括戊烷、己烷、庚烷、辛烷、氯代甲烷(含氯仿)、氯代乙烷(含四氯化碳)、苯甲醚、石油醚、四氯化碳、正丁醇、正丁酮、异丙醚、特丁基叔丁基醚、乙酸丁酯、环己烷、环己烷衍生物、环己酮、环己酮衍生物、磺化煤油、苯、甲苯、二甲苯、氯苯、二氯苯、环氧丙烷、乙二醇醚类化合物中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
进一步地，所述有机相溶液中锂离子相转移剂的浓度为0.02～2mol/L。
进一步地，所述有机相溶液中萃取剂的浓度为0.02～2mol/L。
其中，当萃取剂和离子相转移剂为同一类型化合物时，即一类化合物可以起到两种功能时，无需离子相转移剂和萃取剂浓度进行叠加，满足其中一项所述浓度即可。
进一步地，所述有机相溶液中锂离子辅助迁移剂与稀释剂的体积比为0～0.7﹕1～0.3。
更近一步地，在不加电压时的情况，自由扩散时，可以不加离子液体(锂离子辅助迁移剂)，这时为0。
在一些优选实施方案中，所述毛细管內的有机相溶液与水相溶液交替平行分布。
在一些优选实施方案中，所述毛细管的数量为两根以上时，多跟毛细管之间相互平行设置，且多跟毛细管的同一端浸没于同一锂盐水溶液。
在一些优选实施方案中，所述毛细管多级界面富集体系还包括强化离子传输过程的外场，所述外场包括电场、磁场、声场中的任意一种。
在一些优选实施方案中，所述毛细管多级界面富集体系还设置有进料口和出料口。
进一步地，所述锂盐水溶液、非锂盐溶液所在的容器均设置有进料口和出料口，相应溶液段的料液可在达到一定条件后排出，或外部添加蓄液池，蓄液池与溶液段内料液循环流动。
更近一步地，所述锂盐水溶液和非锂溶液在同位素分离过程中，可根据实际需求向蓄液池添加相应的试剂以调控液相性质。
在一些优选实施方案中，所述毛细管多级界面富集体系中非锂盐溶液的另一侧依次设置有一根以上毛细管及非锂盐溶液，且所述毛细管內交替设置有复数个有机相溶液和水相溶液，所述有机相溶液与水相溶液之间形成多个液-液界面，所述毛细管內靠近锂盐水溶液的一段的溶液为有机相溶液；所述毛细管的两端设置有封堵物，且所述封堵物允许锂离子通过。具体地，在如图2所示的多根毛细管分离体系装配多组毛细管及非锂盐溶液，形成间隔式的毛细管多级界面富集体系，如图3所示。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种6Li同位素的分离富集方法，其包括：
提供前述的锂同位素的毛细管多级界面富集体系，待锂离子充分迁移后，从而在所述毛细管多级界面富集体系中远离锂盐水溶液的一端实现6Li同位素的富集。
具体的，本发明首先构筑一个轻相-重相-轻相-重相-……-轻相的多级界面分离体系；其次，在合适的分离级引入锂离子溶液；再次，驱动锂离子在体系中迁移；最后，在合适的溶液段采集目标溶液。
在一些优选实施方案中，所述分离富集方法还包括：对所获富集6Li同位素的溶液进行浓缩处理。
进一步地，所述浓缩处理后所获目标溶液中锂离子浓度为0.5～6.0mol/L。
进一步地，所述分离富集方法还包括：将所述目标溶液再次进行多级界面的分离富集。
本发明提供的6Li同位素的分离富集方法可以解决一下问题：(1)当采用竖立的膜分隔处于同一水平面的水相和有机相时，由于密度差的存在，轻相总是趋于在上层逐渐连通，重相则在下层连通，使得多级竖立界面趋于合并为单级水平界面，多级分离效应消失；本发明在毛细管有限的距离和空间内，利用毛细管内液相在管壁上的附着力以及水相和有机相的不互溶效应，以少量的液相，构筑了水相-有机相交替相邻分布的多级界面分离体系；(2)在以多孔膜分隔水相和有机相时，膜会对锂离子的传输造成极大的阻力，使得体系的传质能力受到极大的限制；本发明水相和有机相在毛细管内直接接触，接触界面上不受任何阻隔限制，体系的传质能力得到了极大的提高；(3)相比于萃取，锂离子可在本发明所开发的水相-有机相多级界面分离体系中自发形成多级浓度梯度、同位素梯度，在末端分离级可直接获取含高丰度锂-6离子的料液，无需繁复的萃取、反萃、再萃取步骤，极大提升了分离效率。此外，本发明可方便的添加外场因素，以进一步提升传输速率分离效率。
本发明利用毛细管中液体在管壁上的附着力以及水相和有机相的不互溶效应，在毛细管内分别依次通入水相和有机相溶液或有机相和水相溶液，形成多个水相和有机相交替相邻的液-液界面；有机相的组分包括相转移剂、同位素分离剂、稀释剂和离子交换剂等，水相溶质包括低浓度电解质或锂盐；锂离子自一端引入；驱使锂离子在体系内迁移，并在穿过多级界面后实现锂同位素的有效富集；锂离子迁移的强化手段包括：电场、磁场、声场等。
对于本发明应用的多级分离体系中的一段“水相-有机相-水相”而言，同位素的分离效应来自三个过程：锂离子自水相迁入有机相(过程-1)，锂离子在有机相内部迁移(过程-2)，锂离子自有机相迁入水相(过程-3)。其中，过程-1对体系整体锂-6富集效应起到主要贡献，在此过程中，冠醚、穴醚、杯芳烃等萃取剂对锂-6离子的选择性螯合效应与锂离子扩散时前端的锂-6富集效应相重合。
本发明在毛细管设置多级水相-有机相界面，以实现体系锂-6富集效应的叠加，获取锂-6的高富集效率。
下面结合若干优选实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，本实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
下面所用的实施例中所采用的实验材料，如无特殊说明，均可由常规的生化试剂公司购买得到。
实施例1
(1)以苯甲醚溶解苯并15-冠-5，形成有机相，其中，苯并15-冠-5的浓度为0.02mol/L；配制锂离子浓度为0.5mol/L双三氟甲烷磺酰亚胺锂水溶液，锂盐为自然丰度，锂-6丰度为7.50％；非锂盐水溶液为0.01mol/L碳酸氢铵水溶液。
(2)毛细管内填充液体依次为有机相、非锂盐水溶液、有机相、非锂盐水溶液、有机相、非锂盐水溶液；单根毛细管内含3个分离级，6个液相段，每种溶液在每个分离级内的体积比均为1:1。毛细管材质为高硼硅玻璃，内径为2.0mm，毛细管内单段液相长度为0.2cm，毛细管两端为聚乙烯醇凝胶封堵，其中两端的凝胶段长度均为0.2cm。毛细管有机相一端浸没于锂盐水溶液，非锂盐水溶液一端浸没于水相中。
(3)毛细管两端浸没处的锂盐水溶液和水相分别与外部不同的蓄液池联通，不同蓄液池内分别储有对应的锂盐水溶液和非锂盐水溶液，蓄液池内有机相、水相分别和浸没处有机相、水相之间不断循环流动。
(4)分离后，毛细管水相端浸没处水相目标溶液中锂离子浓度达到0.1mol/L，锂-6丰度达到7.85％。
(5)采集最后一级水相中的目标溶液，浓缩至水相中锂离子浓度达到0.5mol/L，将其作为下一组分离的第一级水相。重复上述(2)～(5)操作。
实施例2
(1)将1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟磺酰)亚胺盐和二氯甲烷以体积比70:30混合，溶解[2,2,1]穴醚和四乙基溴化铵，形成有机相，其中，[2,2,1]穴醚浓度为2.0mol/L，四乙基溴化铵浓度为2.0mol/L。配制锂离子浓度为10mol/L氯化锂水溶液，锂盐中锂-6丰度为7.50％；配制0.05mol/L氯化铵水溶液。
(2)毛细管内填充液体依次为有机相、氯化铵水溶液、有机相、氯化铵水溶液、······有机相、氯化铵水溶液；单根毛细管内含25个分离级，50个液相段，每种溶液在每个分离级内的体积比均为1:1。毛细管材质为聚四氟乙烯，内径为0.1mm，毛细管内单段液相长度为1.5cm，毛细管两端为聚酰亚胺凝胶封堵，其中两端的凝胶段长度均为0.2cm。毛细管有机相一端浸没于锂盐水溶液，氯化铵水溶液一端浸没于水相中。
(3)毛细管两端浸没处的锂盐水溶液和水相分别与外部不同的蓄液池联通，不同蓄液池内分别储有对应的锂盐水溶液和氯化铵水溶液，蓄液池内水相和分离段内水相不断循环流动。
(4)在毛细管两端浸没处施加电场，锂盐水溶液为阳极液，氯化铵水溶液为阴极液，电压为4V。
(5)分离后，毛细管水相端浸没处水相目标溶液中锂离子浓度约为0.01mol/L，锂-6丰度达到14.0％。
(6)采集毛细管水相端浸没处水相目标溶液，浓缩至水相中锂离子浓度达到6.0mol/L，将其作为下一组分离的第一级水相。重复上述(2)～(5)操作。
实施例3
(1)将1-烯丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐和乙酸乙酯以体积比30:70混合，溶解对叔丁基杯[4]芳烃，形成萃取有机相，其中，对叔丁基杯[4]芳烃的浓度为1.0mol/L，配制锂离子浓度为3.0mol/L水溶液，其中碘化锂为1.0mol/L，高氯酸锂为2.0mol/L，配制0.1mol/L碳酸氢铵水溶液。
(2)毛细管内填充液体依次为有机相、碳酸氢铵水溶液、有机相、碳酸氢铵水溶液、······有机相、碳酸氢铵水溶液；单根毛细管内含12个分离级，23个液相段，最后一个分离级只包含一段有机相溶液，有机相和水相溶液在每个分离级内的体积比均为1:2。毛细管材质为聚丙烯，内径为0.3mm，毛细管内单段水相长度为1.0cm，有机相长度为0.5cm，毛细管两端为聚丙烯酸凝胶封堵，其中两端的凝胶段长度均为0.2cm。毛细管有机相一端浸没于锂盐水溶液，碳酸氢铵水溶液一端浸没于水相中。
(3)毛细管两端浸没处的锂盐水溶液和水相分别与外部不同的蓄液池联通，不同蓄液池内分别储有对应的锂盐水溶液和碳酸氢铵水溶液，蓄液池内水相和分离段内水相不断循环流动。
(4)在毛细管两端之间施加均匀磁场，锂盐水溶液为阳极液，碳酸氢铵水溶液为阴极液，磁场强度为0.5T。
(5)分离后，阴极液目标溶液中锂离子浓度达到0.3mol/L，锂-6丰度达到10.5％。
(6)采集阴极液为目标溶液，浓缩至水相中锂离子浓度达到1.0mol/L，将其作为下一组分离的第一级水相。重复上述(2)～(5)操作。
实施例4
(1)将1-羧乙基吡啶双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐和二甲苯以体积比50:50混合，溶解4-硝基-萘并-12-冠-4醚和环糊精，形成有机相，其中，冠醚浓度为0.5mol/L，环糊精浓度为0.02mol/L。配制锂离子浓度为3mol/L硝酸锂水溶液，锂盐中锂-6丰度为7.50％；配制0.005mol/L氯化钠水溶液。
(2)毛细管内填充液体依次为有机相、氯化钠水溶液、有机相、氯化钠水溶液、······有机相、氯化钠水溶液；单根毛细管内含200个分离级，400个液相段，每种溶液在每个分离级内的体积比均为1:1。毛细管材质为石英玻璃，内径为0.5mm，毛细管内单段液相长度为1.2cm，毛细管两端为聚二甲基二烯丙基离子液体凝胶封堵，其中两端的凝胶段长度均为0.4cm。毛细管有机相一端浸没于锂盐水溶液，氯化钠水溶液一端浸没于水相中。
(3)毛细管两端浸没处的锂盐水溶液和水相分别与外部不同的蓄液池联通，不同蓄液池内分别储有对应的锂盐水溶液和氯化钠水溶液，蓄液池内水相和分离段内水相不断循环流动。
(4)分离后，毛细管水相端浸没处水相目标溶液中锂离子浓度约为0.1mmol/L，锂-6丰度达到42.0％。
(5)采集毛细管水相端浸没处水相目标溶液，浓缩至水相中锂离子浓度达到0.5mol/L，将其作为下一组分离的第一级水相。重复上述(2)～(5)操作。
实施例5
(1)将N-叔丁羰基吡啶溴盐和环己烷以体积比20:80混合，溶解叔丁基杯[5]芳烃，形成有机相，其中，杯芳烃浓度为0.2mol/L。配制锂离子浓度为5mol/L高氯酸锂水溶液，锂盐中锂-6丰度为7.50％；配制0.02mol/L氯化钾水溶液。
(2)毛细管内填充液体依次为有机相、氯化钾水溶液、有机相、氯化钾水溶液、······有机相、氯化钾水溶液；共100个分离级，200个液相段，单根毛细管内50个分离级，100个液相段，毛细管平行排列(如图2所示)，两排毛细管之间以非锂盐水溶液相接(如图3所示)，每种溶液在每个分离级内的体积比均为1:1。毛细管材质为聚四氟乙烯，内径为0.4mm，毛细管内单段液相长度为0.8cm，毛细管两端为聚氯乙烯离子液体凝胶封堵，其中两端的凝胶段长度均为0.4cm。毛细管有机相一端浸没于锂盐水溶液，氯化铵水溶液一端浸没于水相中。
(3)毛细管两端浸没处的锂盐水溶液和水相分别与外部不同的蓄液池联通，不同蓄液池内分别储有对应的锂盐水溶液和氯化钾水溶液，蓄液池内水相和分离段内水相不断循环流动。
(4)在图3所示的最左侧和最右侧的两端锂盐水溶液和水相处施加电场，锂盐水溶液为阳极液，氯化钾水溶液为阴极液，电压为32V。
(5)分离后，毛细管水相端浸没处水相目标溶液中锂离子浓度约为0.5mmol/L，锂-6丰度达到20.0％。
(6)采集最右端毛细管水相端浸没处水相目标溶液，浓缩至水相中锂离子浓度达到0.6mol/L，将其作为下一组分离的第一级水相。重复上述(2)～(5)操作。
实施例6
(1)将1-丁基-4-乙醇基吡啶三氟乙酸盐和正丁醇以体积比15:85混合，溶解4-乙酰基-苯并-12-冠-4和聚乙二醇-800，形成有机相，其中，冠醚浓度为1mol/L，聚乙二醇浓度为0.2mol/L。配制锂离子浓度为3mol/L硫氰酸锂水溶液，锂盐中锂-6丰度为7.50％；配制0.02mol/L氯化镁水溶液。
(2)毛细管内填充液体依次为有机相、氯化镁水溶液、有机相、氯化镁水溶液、······有机相、氯化镁水溶液；共20个分离级，40个液相段，每种溶液在每个分离级内的体积比均为1:1。毛细管材质为聚乙烯，内径为0.8mm，毛细管内单段液相长度为0.6cm，毛细管两端为双三氟磺酰亚胺离子液体凝胶封堵，其中两端的凝胶段长度均为0.2cm。毛细管有机相一端浸没于锂盐水溶液，氯化铵水溶液一端浸没于水相中。
(3)毛细管两端浸没处的锂盐水溶液和水相分别与外部不同的蓄液池联通，不同蓄液池内分别储有对应的锂盐水溶液和氯化镁水溶液，蓄液池内水相和分离段内水相不断循环流动。
(4)分离后，毛细管水相端浸没处水相目标溶液中锂离子浓度约为0.03mol/L，锂-6丰度达到13.0％。
(6)采集最右端毛细管水相端浸没处水相目标溶液，浓缩至水相中锂离子浓度达到4mol/L，将其作为下一组分离的第一级水相。重复上述(2)～(5)操作。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。

Claims (22)

1.一种锂同位素的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述毛细管多级界面富集体系包括锂盐水溶液、非锂盐水溶液以及一根以上毛细管，所述毛细管的两端分别置于所述锂盐水溶液和非锂盐水溶液中，所述毛细管内交替设置有复数个有机相溶液和水相溶液，所述有机相溶液与水相溶液之间形成多个液-液界面，所述毛细管内靠近锂盐水溶液的一段的溶液为有机相溶液；所述毛细管的两端设置有封堵物，且所述封堵物允许锂离子通过；
所述有机相溶液包括锂离子相转移剂、萃取剂、稀释剂及锂离子辅助迁移剂，其中，所述萃取剂对锂-6具有选择性富集效应；所述锂离子相转移剂选自冠醚、冠醚衍生物、穴醚、穴醚衍生物、杯芳烃、杯芳烃衍生物、聚乙二醇、聚乙二醇衍生物、聚乙二醇醚、聚乙二醇醚衍生物、吡啶、吡啶衍生物、季铵盐、季鏻盐、环糊精、环糊精衍生物、叔胺中的任意一种或两种以上的组合；所述萃取剂选自冠醚、冠醚衍生物、穴醚、穴醚衍生物、杯芳烃、杯芳烃衍生物中的任意一种或两种以上的组合。
2.根据权利要求1所述的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述毛细管的材质为绝缘材质。
3.根据权利要求1所述的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述毛细管的内径为0.1~2.0 mm。
4.根据权利要求1所述的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述封堵物选自水凝胶、有机凝胶、锂离子快导体中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述毛细管中单个水相溶液的长度为0.2~1.5cm。
6.根据权利要求1所述的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述毛细管中单个有机相溶液的长度为0.2 ~1.5cm。
7.根据权利要求1所述的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述毛细管中液-液界面的数量为3~200。
8.根据权利要求1所述的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述锂盐水溶液的浓度为0.5~10mol/L；所述锂盐水溶液中的锂盐选自氯化锂、溴化锂、碘化锂、硫酸锂、硒酸锂、磷酸锂、磷酸氢二锂、砷酸锂、硝酸锂、亚硝酸锂、硼酸锂、高氯酸锂、氯酸锂、溴酸锂、碘酸锂、双三氟磺酰亚胺锂、六氟磷酸锂、四氟硼酸锂、三氟乙酸锂、醋酸锂、三氯乙酸锂、氰化锂、硫氰酸锂、氢氧化锂中的任意一种或两种以上的组合。
9.根据权利要求1所述的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述水相溶液选自水和/或非锂盐水溶液；其中，所述非锂盐水溶液的浓度在0.1mol/L以下；所述非锂盐水溶液中的阳离子不与所述有机相发生反应形成沉淀。
10.根据权利要求1所述的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述锂离子辅助迁移剂选自咪唑类离子液体和/或吡啶类离子液体。
11.根据权利要求1所述的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述稀释剂选自戊烷、己烷、庚烷、辛烷、氯代甲烷、氯代乙烷、苯甲醚、石油醚、四氯化碳、正丁醇、正丁酮、异丙醚、特丁基叔丁基醚、乙酸丁酯、环己烷、环己烷衍生物、环己酮、环己酮衍生物、磺化煤油、苯、甲苯、二甲苯、氯苯、二氯苯、环氧丙烷、乙二醇醚类化合物中的任意一种或两种以上的组合。
12.根据权利要求1所述的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述有机相溶液中锂离子相转移剂的浓度为0.02~2mol/L。
13.根据权利要求1所述的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述有机相溶液中萃取剂的浓度为0.02~2mol/L。
14.根据权利要求1所述的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述有机相溶液中锂离子辅助迁移剂与稀释剂的体积比为0~0.7﹕1~0.3。
15.根据权利要求1所述的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述毛细管内的有机相溶液与水相溶液交替平行分布。
16.根据权利要求1所述的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述毛细管的数量为两根以上时，多跟毛细管之间相互平行设置，且多跟毛细管的同一端浸没于同一锂盐水溶液。
17.根据权利要求1所述的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述毛细管多级界面富集体系还包括强化离子传输过程的外场，所述外场选自电场、磁场、声场中的任意一种。
18.根据权利要求1所述的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述毛细管多级界面富集体系还设置有进料口和出料口。
19.根据权利要求1所述的毛细管多级界面富集体系，其特征在于：所述毛细管多级界面富集体系中非锂盐溶液的另一侧依次设置有一根以上毛细管及非锂盐溶液，且所述毛细管内交替设置有复数个有机相溶液和水相溶液，所述有机相溶液与水相溶液之间形成多个液-液界面，所述毛细管内靠近锂盐水溶液的一段的溶液为有机相溶液；所述毛细管的两端设置有封堵物，且所述封堵物允许锂离子通过。
20.一种6Li同位素的分离富集方法，其特征在于包括：
提供权利要求1-19中任一项所述的锂同位素的毛细管多级界面富集体系，待锂离子充分迁移后，从而在所述毛细管多级界面富集体系中远离锂盐水溶液的一端实现6Li同位素的富集。
21.根据权利要求20所述的分离富集方法，其特征在于还包括：对所获富集6Li同位素的溶液进行浓缩处理；其中，所述浓缩处理后所获目标溶液中锂离子浓度为0.5~6.0mol/L。
22.根据权利要求21所述的分离富集方法，其特征在于还包括：将所述目标溶液再次进行分离富集。
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