一种分离锂同位素的材料及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及介孔材料及锂同位素分离技术领域，尤其是一种分离锂同位素的材料 及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002] 锂(Li)是世界上最轻的金属元素，自然界中锂元素广泛存在于各种矿物、流体和 岩石中，全球蕴藏着丰富的锂资源，探明储量约为3670万吨。
[0003] 天然锂由锂6(61^)和锂7(71^)两种同位素组成，他们的丰度分别为7.52%和 92.48% ^Li和7Li在原子能工业中的作用截然不同，6Li是发展可控热核聚变反应堆必不可 少的燃料和国防战略安全保证的必须品。这是由于 7Li的热中子吸收截面仅为0.037b，而6Li 的热中子吸收截面可达940b，6Li比7Li更易被中子轰击后生成氚和氦，使氚(T)在反应堆中 不断增殖。 7Li则在核裂变的反应过程中对反应的调控和设备的维护中发挥着重要的作用， 超纯7LiF可作为新一代熔融盐反应堆冷却剂和中性介质， 7LiOH可以作为压水堆的pH调节 剂，缓解容器设备的腐蚀问题。锂同位素6Li和7Li在核能源中分别具有十分重要的应用，将 元素锂中的两种同位素分离即 6Li和7Li分离的过程称为锂同位素分离。
[0004] 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。物理法包括电子迀移、熔盐电解法、电磁 法、分子蒸馏和激光分离等。锂汞齐交换法是唯一在工业上已获得应用的方法，目前我国仍 在使用该方法进行锂同位素的生产。常用的交换体系有两种:锂汞齐与含锂化合物溶液之 间的交换和两者有机溶液之间的交换。虽然锂汞齐与含锂化合物溶液交换具有很多优点， 例如，分离系数α大，交换速度极快、易于实现两相回流等，但这种交换体系使用大量的汞给 安全防护和环境保护带来很大麻烦。另外不同价态锂盐之间的交换，在回流过程中能耗较 大也是一个不容忽视的问题。
[0005] 中国专利申请CN102786616A公开了一种具有锂同位素分离效应的苯并冠醚接枝 聚合物及其制备方法。该专利以含羟基的聚乙烯醇或聚乙烯-乙烯醇为主链，以苯并冠醚为 侧挂基团，通过化学键连接形成苯并冠醚接枝聚合物，其形成的螯合树脂的单级分离系数 最高可达1.046,但其固载量较小，交换周期长并且交换剂稳定性差。美国专利申请 US4600566A公开了一种基于笼醚接枝苯乙烯-二乙烯苯树脂的色谱分离锂同位素分离的方 法。该方法用笼醚树脂在无水的情况下，采用固相萃取分离锂同位素的过程中，消除了锂离 子水合化效应，树脂的单级分离因子达到1.03~1.06。但是笼醚结构对锂离子强的络合能 使锂离子脱附成为了新的问题，这限制了树脂材料的重复使用性。
【发明内容】
[0006] 为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种分离锂同位素的材料及其制备 方法，该材料具有耐酸碱、耐高温、结构不易被破坏的优点，可多次重复使用;该材料用于从 水相锂盐中萃取分离锂同位素，锂的饱和吸附容量大，具有良好的锂同位素分离效能，并且 通过萃取分离锂同位素的方式绿色环保。
[0007] 为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
[0008] 本发明首先提供了一种分离锂同位素的材料的制备方法，该方法包括步骤：
[0009] A、取四乙氧基硅烷置于反应容器中，向反应容器中加入超纯水和甲酸使所述四乙 氧基硅烷水解；
[0010] B、向所述水解后的四乙氧基硅烷加入具有冠醚结构的疏水性离子液体，形成溶 胶；
[0011] C、将所述溶胶在真空条件下干燥，形成介孔材料，获得所述分离锂同位素的材料；
[0012] 其中，所述具有冠醚结构的疏水性离子液体由阳离子和阴离子组成，其中，
[0013]所述阳呙子为以下结构式I和/或结构式π的阳呙子；
[0014] 结构式I: ，+ 其中，η等于1、2、3或4;
[0015] 结构式Π :
其中，1111、1]12和1113分别等于0或1;
[0016 ]所述阴离子为 PF6-，（ SO2CF3) 2Ν-、（ SO2CF2CF3) 2Ν-和 BF4-中的一种或几种。
[0017] 优选地，步骤A中，加入的超纯水和甲酸，使得四乙氧基硅烷和超纯水以及甲酸的 体积比为8~12:4~8:1。
[0018] 优选地，所述甲酸的浓度为0.02~0.06mol/L。
[0019] 优选地，所述甲酸的浓度为0.05mo 1/L。
[0020] 优选地，加入的超纯水和甲酸后，采用磁力搅拌2~8小时，使所述四乙氧基硅烷水 解。
[0021 ]优选地，步骤B中，加入的具有冠醚结构的疏水性离子液体，使得所述具有冠醚结 构的疏水性离子液体与所述四乙氧基硅烷的固液比为Ig: 2.5~10mL。
[0022] 优选地，步骤C中，将所述溶胶干燥的温度为30~60°C，时间为12~36小时。
[0023] 本发明还提供了按照如上所述的制备方法制备得到的分离锂同位素的材料，所述 材料为包括无机硅基质组分和有机掺杂组分的介孔材料，所述无机硅基质组分为经过水解 的四乙氧基硅烷，所述有机掺杂组分为具有冠醚结构的疏水性离子液体;所述具有冠醚结 构的疏水性离子液体由阳离子和阴离子组成，其中，
[0024]所述阳呙子为以下结构式I和/或结构式Π 的阳呙子；
[0025] 结构式I:
t 其中，η等于1、2、3或4;
[0026] 结构式Π: 9 其中，1111、1]12和1113分别等于0或1;
[0027] 所述阴离子为 PF6-，（ SO2CF3) 2Ν-、（ SO2CF2CF3) 2Ν-和 BF4-中的一种或几种。
[0028] 本发明还提供了一种如上所述的分离锂同位素的材料的用途，所述分离锂同位素 的材料用于从水相锂盐中萃取分离锂同位素。
[0029] 其中，所述水相锂盐为LiCl、LiBr、LiI、Li2S〇4、Li3P〇4、Li2C03、LiN0 3、LiSCN、 CH3COOLi、CF3COOLi、CHF2COOLi、CH2FCOOLi 和 LiOH 中的任意一种或多种。
[0030] 本发明实施例提供的分离锂同位素的材料及其制备方法，该材料具有耐酸碱、耐 高温、结构不易被破坏的优点，可多次重复使用;该材料用于从水相锂盐中萃取分离锂同位 素，锂的饱和吸附容量大，具有良好的锂同位素分离效能，并且通过萃取分离锂同位素的方 式绿色环保。其制备方法工艺简单、易于实现，其使用的是无毒或微毒的化学试剂，极大地 避免了现有技术的方法中造成的人体健康危害和环境污染。
【附图说明】
[0031] 图1是本发明提供的分离锂同位素的材料的制备方法的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0032]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实 施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据 附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
[0033] 本发明实施例中首先提供了一种分离锂同位素的材料的制备方法，参阅图1的工 艺流程图，该方法包括步骤：
[0034] S101、取四乙氧基硅烷置于反应容器中，向反应容器中加入超纯水和甲酸使所述 四乙氧基硅烷水解。具体地，加入的超纯水和甲酸，使得四乙氧基硅烷和超纯水以及甲酸的 体积比为8~12:4~8:1，其中，所述甲酸的浓度可以选择为0.02~0.06mol/L，更为优选的 是甲酸的浓度为〇.〇5mol/L。进一步地，加入的超纯水和甲酸后，采用磁力搅拌2~8小时，使 所述四乙氧基硅烷水解。
[0035] S102、向所述水解后的四乙氧基硅烷加入具有冠醚结构的疏水性离子液体，形成 溶胶。具体地，所述具有冠醚结构的疏水性离子液体由阳离子和阴离子组成，其中，所述阳 离子为以下结构式I和/或结构式Π 的阳离子;结构式I:
其中，η等于1、2、3或4;结构式Π :
[0036]
其中， mi、m2和m3分