用于锂同位素分离的凝胶聚合物电解质膜及其制法与应用

本发明属于同位素分离，具体涉及一种用于锂同位素分离的凝胶聚合物电解质膜及其制法与应用。

背景技术：

1、锂在自然界中的两种稳同位素(6li和7li)在核能领域均具有重要的应用。例如，为保证核电站的安全运行，99.995％的7lioh可用作压水堆的酸性调节剂以减少核设施的酸腐蚀，第四代钍基熔盐核反应堆使用7lif-bef2-thf4熔盐系统作为燃料和冷却剂，其中7lif的纯度要大于99.99％以防止6li与中子反应生成放射性的物质氚。另一方面，基于氘和氚的可控核聚变目前唯一认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一，氚在自然界的几乎不存在，而高纯度的6li被中子轰击后可以生成氚(6li+n→t+4he)，使得聚变过程中的氚不断增殖，因此6li(＞30％)是核聚变堆和氢弹的关键原料。而6li和7li的自然丰度分别为7.53％和92.47％。因此，实现锂同位素的高效分离和富集是核能领域的一项关键技术，其有效供给不仅关乎国家的国防安全，更关乎未来的能源安全。

2、当前锂同位素规模化生产的方法仅有锂汞齐法，在分离过程中需要使用大量汞，对生态环境和人员的职业健康造成了极大的威胁。如在1950-1966年期间，美国橡树岭y-12车间分离锂同位素时使用了大量汞，这些汞在生产过程中部分流失，处理也较草率，对周边环境和居民的安全造成了巨大威胁。直到1985年y-12车间周边的汞污染才被公开报道，由此造成的汞污染处理持续多年(brooks s c,southworth g r.history of mercury useand environmental contamination at the oak ridge y-12plant[j].environmentalpollution,2011,159(1):219-228.)。而随着国际热核聚变实验堆(iter)的启动,“东方超环”(人造太阳)运行超过千秒，各国对裂变堆的研究日益成熟，国内外市场对高丰度锂同位素的需求将与日俱增。因此，研究和开发无汞的锂同位素分离工艺具有重要意义，并引起人们的持续关注。

3、苯并-15冠-5及其衍生物由于对6li+和7li+具有精确的尺寸选择性，被广泛用于锂同位素的萃取分离体系中。然而，对于传统的液-液萃取体系，水分子削弱了锂离子的静电作用，不利于冠醚与锂离子的结合，导致单级萃取分离能力有限。如石成龙等(c.shi etal.journal of molecular liquids.2016,224:662-667)利用二苯并-14-冠-4分离锂同位素，其通振荡萃取的方法将6li的相对丰度仅提升了0.1％左右。因此，为满足实际应用的要求，需要进行多级分离，而溶于水相中的冠醚难以从体系中回收利用，进一步制约了其工业化应用。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种用于锂同位素分离的凝胶聚合物电解质膜及其制法与应用，以克服现有技术的不足。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、本发明实施例提供了一种用于锂同位素分离的凝胶聚合物电解质膜的制备方法，其包括：将聚合物单体、离子液体、第一螯合剂、引发剂与交联剂充分混合，再经真空加热反应，制得用于锂同位素分离的凝胶聚合物电解质膜；其中，所述第一螯合剂包括苯并喹啉、10-羟基苯并喹啉、4-甲基-10-羟基苯并喹啉、3-甲基苯并喹啉、8-羟基苯并喹啉、1-(苯基偶氮)-2-萘酚、1-[(2,4-二甲苯基)偶氮]-2-萘酚中的任意一种或两种以上的组合。

4、本发明实施例还提供了前述的制备方法制得的用于锂同位素分离的凝胶聚合物电解质膜，所述凝胶聚合物电解质膜包括基体及掺杂物，所述基体主要由聚合物单体聚合得到，所述掺杂物包括离子液体及第一螯合剂。

5、本发明实施例还提供了前述的用于锂同位素分离的凝胶聚合物电解质膜在分离富集6li中的用途。

6、本发明实施例还提供了一种分离富集6li同位素的方法，其包括：

7、将第二螯合剂与疏水性离子液体混合形成扩散介质；

8、使阳极、阴极、阳极液、阴极液、扩散介质与复数个选择性富集7li的凝胶聚合物电解质膜共同构成电迁移体系；其中，所述选择性富集7li的凝胶聚合物电解质膜为前述的用于锂同位素分离的凝胶聚合物电解质膜，所述复数个选择性富集7li的凝胶聚合物电解质相互间隔设置于所述扩散介质中；

9、以及，使所述电迁移体系通电，从而在阴极获得富集6li的阴极水溶液。

10、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

11、(1)本发明采用膜萃取法与电迁移法结合，两侧电极溶液均为水溶液，电极反应均为水的电解，不会对扩散池中扩散介质的重复利用产生影响，开发出的富集7li+的凝胶聚合物电解质膜，能使6li+能够自由透过膜进入阴极，提高6li/7li的分离因子，实现锂同位素的分离与富集；该方法是一种简单、高效、低能耗的工艺方法，具有占地面积小、运行稳定、易于放大等优势；

12、(2)本发明中扩散介质中的第二螯合剂对6li具有选择性，使阳极室水溶液中的6li更容易转移扩撒池中进而在电场作用和扩散作用的驱动下迁移至阴极室，当锂离子在扩散池中迁移时，由于固定的凝胶聚合物电解质膜对7li具有特殊的选择性，能与其络合充当筛子阻止其通过膜，但允许6li通过膜，因此7li的迁移受到阻碍。同时，由于6li的电迁移率和扩散速率均大于7li的电迁移速率和扩散速率，锂离子流的最前端具有极高的6li丰度，通过延长扩散池的长度，增加膜的层数，即可提高阴极溶液中目标同位素6li的丰度，从而实现6li/7li的高效分离。

技术特征：

1.一种用于锂同位素分离的凝胶聚合物电解质膜的制备方法，其特征在于包括：将聚合物单体、离子液体、第一螯合剂、引发剂与交联剂充分混合，再经真空加热反应，制得用于锂同位素分离的凝胶聚合物电解质膜；其中，所述第一螯合剂包括苯并喹啉、10-羟基苯并喹啉、4-甲基-10-羟基苯并喹啉、3-甲基苯并喹啉、8-羟基苯并喹啉、1-(苯基偶氮)-2-萘酚、1-[(2,4-二甲苯基)偶氮]-2-萘酚中的任意一种或两种以上的组合。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述聚合物单体包括甲基丙烯酸甲酯；

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述聚合物单体、离子液体、第一螯合剂、引发剂与交联剂的质量比为20-40：40-50：20-30：0.1-0.15：0.3-0.44。

4.由权利要求1-3中任一项所述的制备方法制得的用于锂同位素分离的凝胶聚合物电解质膜，其特征在于：所述凝胶聚合物电解质膜包括基体及掺杂物，所述基体主要由聚合物单体聚合得到，所述掺杂物包括离子液体及第一螯合剂；优选的，所述凝胶聚合物电解质膜的厚度为0.01～10000μm。

5.权利要求4所述的用于锂同位素分离的凝胶聚合物电解质膜在分离富集6li中的用途。

6.一种分离富集6li同位素的方法，其特征在于包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述阳极液设置于阳极室，所述扩散介质设置于扩散室，所述阴极液设置于阴极室，且所述扩散室设置于阳极室与阴极室之间；

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述第二螯合剂包括具有如式(ⅱ)或式(ⅲ)所示结构的化合物：

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述扩散介质中第二螯合剂的浓度为0.001～5.0mol/l；

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述电迁移体系采用的外加电压为2-64v；

技术总结
本发明公开了一种用于锂同位素分离的凝胶聚合物电解质膜及其制法与应用。所述制法包括：将聚合物单体、离子液体、第一螯合剂、引发剂与交联剂充分混合，再经真空加热反应，制得用于锂同位素分离的凝胶聚合物电解质膜；其中，所述第一螯合剂包括苯并喹啉、10‑羟基苯并喹啉、4‑甲基‑10‑羟基苯并喹啉、3‑甲基苯并喹啉、8‑羟基苯并喹啉、1‑(苯基偶氮)‑2‑萘酚、1‑[(2,4‑二甲苯基)偶氮]‑2‑萘酚中的任意一种或两种以上的组合。本发明制备的富集<supgt;7</supgt;Li<supgt;+</supgt;的凝胶聚合物电解质膜能使<supgt;6</supgt;Li<supgt;+</supgt;能够自由透过膜；同时本发明将电迁移技术与膜分离技术相结合，提高<supgt;6</supgt;Li<supgt;+</supgt;/<supgt;7</supgt;Li<supgt;+</supgt;的分离因子，实现锂同位素的分离与富集。

技术研发人员：孙进贺,汪词明,邵斐,张鹏瑞,赵治宇,景燕,贾永忠,居慧群
受保护的技术使用者：中国科学院青海盐湖研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12