应用离心萃取机提取锂同位素6Li的方法

摘要

本发明公开了一种应用离心萃取机提取锂同位素6Li的方法，包括萃取段、碱洗段和反萃取段。本发明提供的锂同位素提取设备是一种新型高效的离心萃取设备，溶剂萃取法提取锂同位素的技术与本发明所述设备结合以后，极大地提高了级效率及分离效果，减少了萃取级数，增大了处理量，同时提高了萃取剂的回收率，解决了现有技术中存在的成本高、处理量小和分离困难的问题，具有很好的市场应用前景。

权利要求

1.一种应用离心萃取机提取锂同位素6Li的方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

1）萃取段：将氢氧化锂水溶液与萃取剂以体积比为1∶1-6混合加入到离心萃取机进行萃取；常温，5-6级逆流萃取；所述萃取剂为磷酸三丁酯和煤油，其体积比为，磷酸三丁酯/煤油=1∶2-4；

2）碱洗段：将步骤1）萃取所得有机相加入到离心萃取机中用碱液进行碱洗，常温，2-3级逆流萃取；所述碱液为质量浓度为20%-30%的氢氧化钠溶液；所述有机相和碱液的体积比为1-3∶1；

3）反萃取段：将步骤2）所得有机相在所述离心萃取机中进行反萃取，常温，4-5级逆流反萃取；所述有机相和反萃取剂的体积比为3-6∶1；反萃取剂为质量浓度为25%的硫酸钠水溶液；

所述离心萃取机，包括机架（14）、电机（1）、外壳(13)、重相堰板（4）和水平盖(2)，所述水平盖(2)和外壳(13)分别固定于机架(14)上，所述外壳(13)侧壁上设有重相出口(5)和轻相出口(16)，所述水平盖(2)的下部对称设置有减震块(3)；所述电机(1)固定于水平盖(2)上方；还包括通过轴(6)悬挂于水平盖(2)上的转鼓(12)，所述转鼓(12)通过锁母(7)固定于轴(6)上，所述的外壳(13)的外壁设有与壳体相切的进料口(11)，所述进料口(11)包括重相进料口和轻相进料口，内壁上部设有重相集液腔(15)、轻相集液腔(17)，内壁下部设有导流叶(8)，外壳(13)底部内表面设有涡流盘(9)，涡流盘(9)中间设有放料阀(10)；所述的轴(6)为定制电机轴，为电机轴整体加长；所述转鼓(12)为内外两层结构或四层结构；所述转鼓(12)悬挂于水平盖(2)上，其下部无轴承、无机械密封，转鼓(12)为复合材料模塑成型，材质为聚丙烯或全氟烷氧基树脂；所述的外壳(13)为复合材料整体模塑成型，材质为聚丙烯或全氟烷氧基树脂；所述重相堰板(4)为均分为多个弧段，重相堰板(4)由该多个弧段拼接而成；所述进料口（11）、重相出口（5）、轻相出口（16）均采用带法兰的弯头和可伸缩管的波纹管连接，管道连接均为复合材料整体模塑成型，材质为聚丙烯或全氟烷氧基树脂；所述重相出口（5）、轻相出口（16）均配有取样阀，温度检测口。

说明书

6

应用离心萃取机提取锂同位素Li的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种锂同位素6Li的提取方法，尤其是涉及一种应用离心萃取机提取锂同位素6Li的方法。

背景技术

[0002] 锂是自然界最轻的金属，其存在两种稳定的同位素即6Li和7Li，相对丰度分别是6Li为7.53％，7Li为92.47％。在核能工业中，6Li和7Li具有不同的核反应性能，在核材料中占有重要地位。因此，对它们的分离一直是受人重视的研究课题。

[0003] 目前锂同位素的分离方法有很多，大致可分为化学方法和物理方法。化学方法包含锂汞齐法、溶剂萃取、离子交换色谱法、分级沉淀和分级结晶等。物理法包含电磁法、熔盐电解法、电子迁移、分子蒸馏和激光分离等。其中，锂汞齐法是目前分离系数最高且真正投入实际生产的方法，但是该方法的最大缺点是分离过程中使用的大量汞将会带来环境和安全问题；离子交换色谱分离锂同位素的缺点是奋力系数小、平衡时间长、操作不连续及交换剂稳定性差等；激光法虽然提高了分离系数，但是该方法对工艺技术及材料设备要求高，分离产额低。

[0004] 对于无汞分离锂同位素的溶剂萃取法，由于锂离子有很大的水合能力，与普通有机溶剂的络合作用很弱，对锂同位素的分离效果甚微，应用于工业中分离锂同位素十分困难。此外该方法还存在溶剂选择较为麻烦、成本较高、分离系数较小、处理量少等缺点。存在上述问题的原因一方面是体系分离系数小，传统的萃取设备不能很好地将两相分离开，进而需要增加萃取级数，导致设备投入及能耗增加，大大提高了处理成本；另一方面，分离系数较大的优良萃取剂多为较难合成的冠醚、穴醚类有机物，这也增加了锂同位素的提取成本。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种应用离心萃取机提取锂同位素6Li的方法，解决了成本较高、分离系数较小、处理量少等问题同时达到了较高的提取率。

[0006] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0007] 一种应用离心萃取机提取锂同位素6Li的方法，包括以下几个步骤：

[0008] (1)萃取段：将氢氧化锂水溶液与萃取剂以体积比为1∶1-6混合加入到离心萃取机进行萃取；常温，5-6级逆流萃取；

[0009] (2)碱洗段：将步骤1)萃取所得有机相加入到离心萃取机中进行碱洗，常温，2-3级逆流萃取；所述有机相和碱液的体积比为1-3∶1；

[0010] (3)反萃取段：将步骤2)所得有机相在所述离心萃取机中进行反萃取，常温，4-5级逆流反萃取；所述有机相和反萃取剂的体积比为3-6∶1；反萃取剂为质量浓度为25％的硫酸钠水溶液。

[0011] 进一步地，步骤1)所述萃取剂为磷酸三丁酯和煤油，其体积比为，磷酸三丁酯/煤油＝1∶2-4。

[0012] 进一步地，步骤2)所述碱液为质量浓度为20％-30％的氢氧化钠溶液。

[0013] 进一步地，所述离心萃取机，包括机架、电机、外壳、重相堰板和水平盖，所述水平盖和外壳分别固定于机架上，所述外壳侧壁上设有重相出口和轻相出口，所述水平盖的下部对称设置有减震块；所述电机固定于水平盖上方；还包括通过轴悬挂于水平盖上的转鼓，所述转鼓通过锁母固定于轴上，所述的外壳的外壁设有与壳体相切的进料口，所述进料口包括重相进料口和轻相进料口，内壁上部设有重相集液腔、轻相集液腔，内壁下部设有导流叶，壳体底部内表面设有涡流盘，涡流盘中间设有放料阀；所述的轴为定制电机轴，为电机轴整体加长。

[0014] 进一步地，所述转鼓为内外两层结构或四层结构。

[0015] 进一步地，所述转鼓悬挂于水平盖上，其下部无轴承、无机械密封，转鼓为复合材料模塑成型，材质为聚丙烯或全氟烷氧基树脂。

[0016] 进一步地，所述的外壳为复合材料整体模塑成型，材质为聚丙烯或全氟烷氧基树脂。

[0017] 进一步地，所述重相堰板为均分为多个弧段，重相堰板由该多个弧段拼接而成。

[0018] 进一步地，所述进料口、重相出口、轻相出口均采用带法兰的弯头和可伸缩管的波纹管连接，管道连接均为复合材料整体模塑成型，材质为聚丙烯或全氟烷氧基树脂。

[0019] 所述的离心萃取机重相出口、轻相出口均配有取样阀，温度检测口。

[0020] 为了提高萃取效率，将本发明的离心萃取机和萃取工艺有效的结合，我们进行了大量的实验探索，尤其需要指出的是，萃取剂的选择、多级逆流萃取实验溶剂的选择及参数的设置、多级反萃取实验级别的选择及试验参数的设定在整个萃取效果中显得尤为重要。以下我们对萃取剂的筛选，多级逆流萃取实验参数的设置、多级反萃取实验参数的设置实验等简要列举并进行简要分析。

[0021] 实验1：萃取剂的选择实验

[0022] 选择穴醚[2,2,1]-氯仿、TBP-N503-煤油、TBP-煤油作为萃取剂的成分，改变萃取剂种类及配比，进行小试实验。将发酵液和不同种类及配比的萃取剂分别加热至30℃，在分液漏斗中进行摇瓶实验，待两相完全分层后，取样检测。实验结果如下。

[0023] 表1.不同种类萃取剂下摇瓶萃取实验结果

[0024]

[0025] 根据上表中的实验结果可知：选用穴醚[2,2,1]:氯仿＝1:1作为萃取剂时，萃取率最高，但是穴醚类萃取剂生产工艺复杂，造价高，并且不易回收，无法实现工业化应用，综合考虑，选用TBP：磺化煤油＝1:4的萃取剂体系最佳。

[0026] 实验2：多级逆流萃取实验

[0027] 在通量为180ml/min，体积比为5∶1，进料温度为常温，逆流萃取的操作条件下，采用CWL50-M系列新型高效离心萃取机作为萃取设备，改变萃取级数，观察实验效果。LiOH水溶液以30ml/min的进料量从萃取器的重相进料口进入设备,萃取剂以150ml/min的进料量从萃取器的轻相进料口进入设备，待两相均出料稳定后，取样检测，同时观察两相情况。萃取级数依次设置为1、2、3、4、 5、6、7，重复上述操作，实验结果如表2：

[0028] 表2.多级逆流萃取实验结果

[0029]序号 萃取级数 萃取率/％ 分离效果
1 1 14.23 水相无浑浊，有机相较浑浊
2 2 26.44 水相无浑浊，有机相较浑浊
3 3 36.90 水相无浑浊，有机相轻微浑浊
4 4 45.88 水相无浑浊，有机相轻微浑浊
5 5 53.58 水相及有机相均无浑浊
6 6 60.16 水相及有机相均无浑浊
7 7 61.05 水相及有机相均无浑浊

[0030] 根据上表中的实验结果可知：经过萃取后，6Li以络合物的形式进入有机相中，7Li则进入水相，随着萃取级数的增加，萃取率逐渐升高，分离效果逐渐变好，但7级萃取后萃取率相较于6级并无明显增加，因此选择6级逆流萃取最佳。

[0031] 实验3：多级逆流反萃取实验

[0032] 在通量为180ml/min，体积比为5∶1，进料温度为35℃，逆流反萃取的操作条件下，采用CWL50-M系列新型高效离心萃取机作为反萃取设备，改变反萃取级数，观察实验效果。反萃取剂以30ml/min的进料量从萃取器的重相进料口进入设备,负载有机相以150ml/min的进料量从萃取器的轻相进料口进入设备，待两相均出料稳定后，取样检测，同时观察分离效果。萃取级数依次设置为1、 2、3、4、5、6，重复上述操作，实验结果如表3：

[0033] 表3.多级逆流反萃取实验结果

[0034]序号 反萃取级数 反萃取率/％ 分离效果
1 1 21.72 水相和有机相均无浑浊
2 2 38.70 水相和有机相均无浑浊
3 3 52.03 水相和有机相均无浑浊
4 4 62.45 水相和有机相均无浑浊
5 5 70.62 水相和有机相均无浑浊
6 6 70.88 水相和有机相均无浑浊

[0035] 根据上表中的实验结果可知：经过反萃，6Li以Li2SO4的形式进入水相，萃取剂得到再生。随着反萃取级数的增加，反萃取率逐渐升高，并且分离效果好，经过5级逆流反萃取后，反萃取率可达到70.62％，6级反萃率相较于5级并未出现明显增加趋势，因此，选用5级逆流反萃取最佳。

[0036] 利用CWL-M系列离心萃取机提取锂同位素，LiOH水溶液经过6级逆流萃取，3级碱洗，5级逆流反萃取后，6Li的萃取率达到了60.16％，最终产品为Li2SO4，纯度达到80％。

[0037] 本发明的有益效果是：

[0038] 本发明的有益效果

[0039] 1.本发明提供的离心萃取机是一种新型高效的锂同位素的提取设备，具有耐腐蚀性强，结构精巧，萃取率高等显著优势。离心萃取机壳体、转鼓和管道均为复合材料整体模塑成型，材质为聚丙烯，全氟烷氧基树脂，有效的提高了设备的耐腐蚀性能。离心萃取机通过电机带动萃取反应器进行萃取反应，实现了萃取、反萃和酸洗的半自动化和一体化，同时，由于本发明所用离心萃取机的转鼓为内外两层结构或四层结构，多层分离有利于提高分离效率。

[0040] 2.本发明提供的锂同位素的提取方法，通过萃取、碱洗和反萃取获得较高纯度的6
Li同位素，萃取阶段优选磷酸三丁酯/煤油＝1∶2作为萃取剂，既保证了较高的提取率，同时获得的6Li同位素纯度高达80％，6Li同位素纯度提取中取得显著进步。既降低了生产的成本，又便于推广应用和工业化生产。

[0041] 3.本发明涉及的锂同位素提取设备是一种新型高效的离心萃取设备，溶剂萃取法提取锂同位素的技术与本发明所述设备结合以后，极大地提高了级效率及分离效果，减少了萃取级数，增大了处理量，同时提高了萃取剂的回收率，解决了现有技术中存在的成本高、处理量小和分离困难的问题，具有很好的市场应用前景。

附图说明

[0042] 图1为本发明的工作流程图；

[0043] 图2为本发明的离心萃取机的结构示意图。

具体实施方式

[0044] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

[0045] 实施例1

[0046] 一种应用离心萃取机提取锂同位素6Li的方法，包括以下几个步骤：

[0047] (1)萃取段：将氢氧化锂水溶液与萃取剂以体积比为1∶1混合加入到离心萃取机进行萃取；常温，5级逆流萃取；所述萃取剂为磷酸三丁酯和煤油，其体积比为，磷酸三丁酯/煤油＝1∶2；

[0048] (2)碱洗段：将步骤1)萃取所得有机相加入到离心萃取机中进行碱洗，常温，2-3级逆流萃取；所述有机相和碱液的体积为1∶1；所述碱液为质量浓度为20％的氢氧化钠溶液；

[0049] (3)反萃取段：将步骤2)所得有机相在所述离心萃取机中进行反萃取，常温，4-5级逆流反萃取；所述有机相和反萃取剂的体积为3∶1；反萃取剂为质量浓度为25％的硫酸钠水溶液。

[0050] 包括机架14、电机1、外壳13、重相堰板4和水平盖2，水平盖2和外壳13 分别固定于机架14上，外壳13侧壁上设有重相出口5和轻相出口16，水平盖 2的下部对称设置有减震块3；电机1固定于水平盖2上方；本发明的离心萃取机还包括通过轴6悬挂于水平盖2上的转鼓
12，转鼓12通过锁母7固定于轴6 上，外壳13的外壁设有与外壳13壳体相切的进料口11，进料口11包括重相进料口和轻相进料口，内壁上部设有重相集液腔15、轻相集液腔17，内壁下部设有导流叶8，外壳13底部内表面设有涡流盘9，涡流盘9中间设有放料阀10；其中轴6为定制电机轴，为电机轴整体加长。转鼓12为内外两层结构或四层结构。转鼓12悬挂于水平盖2上，其下部无轴承、无机械密封，转鼓12为复合材料模塑成型，材质为聚丙烯或全氟烷氧基树脂。的外壳13为复合材料整体模塑成型，材质为聚丙烯或全氟烷氧基树脂。重相堰板4为均分为多个弧段，重相堰板4由该多个弧段拼接而成。离心萃取机进料口11、重相出口5、轻相出口16均采用带法兰的弯头和可伸缩管的波纹管连接，管道连接均为复合材料整体模塑成型，材质为聚丙烯或全氟烷氧基树脂；重相出口5、轻相出口16均配有取样阀，温度检测口。

[0051] 如图1所示，给出了本发明的工作流程图。(a)是氢氧化锂水溶液，将它提供到萃取反应器(b)中，它在此与萃取剂(c)接触。将从新型萃取反应器(b)中流出的萃余液(e)排出。将从萃取反应器(b)中流出的负载有机液体(d)提供到碱洗萃取反应器(f)中，在此使它与提供的碱液(g)接触。将从碱洗萃取反应器(f)中流出的碱洗余液(h)排出，通过管道将碱洗后的负载有机液体(i)提供给新型反向萃取器(j)，在此使它与提供的反萃取剂(k)接触。通过管道将从反向萃取器(j)中流出的再生有机液体(l)提供到在有机相储罐(n)中，然后再循环到萃取反应器(b)中，从反向萃取器(j)中流出的水溶液(m)即为产品。所述萃取反应器(b)、碱洗萃取反应器(f)和反向萃取器(j)均为本发明所述萃取反应器的结构。

[0052] 实施例2

[0053] 一种应用离心萃取机提取锂同位素6Li的方法，包括以下几个步骤：

[0054] (1)萃取段：将氢氧化锂水溶液与萃取剂以体积比为1∶6混合加入到离心萃取机进行萃取；常温，6级逆流萃取；所述萃取剂为磷酸三丁酯和煤油，其体积比为，磷酸三丁酯/煤油＝1∶4；

[0055] (2)碱洗段：将步骤1)萃取所得有机相加入到离心萃取机中进行碱洗，常温，3级逆流萃取；所述有机相和碱液的体积比为3∶1；所述碱液为质量浓度为30％的氢氧化钠溶液；

[0056] (3)反萃取段：将步骤2)所得有机相在所述离心萃取机中进行反萃取，常温，4-5级逆流反萃取；所述有机相和反萃取剂的体积为比6∶1；反萃取剂为质量浓度为25％的硫酸钠水溶液。

[0057] 所述离心萃取机的结构见实施例1。

[0058] 实施例3

[0059] 一种应用离心萃取机提取锂同位素6Li的方法，包括以下几个步骤：

[0060] (1)萃取段：将氢氧化锂水溶液与萃取剂以体积比为1∶5混合加入到离心萃取机进行萃取；常温，5级逆流萃取；所述萃取剂为磷酸三丁酯和煤油，其体积比为，磷酸三丁酯/煤油＝1∶3；

[0061] (2)碱洗段：将步骤1)萃取所得有机相加入到离心萃取机中进行碱洗，常温，3级逆流萃取；所述有机相和碱液的体积比为2∶1；所述碱液为质量浓度为25％的氢氧化钠溶液；

[0062] (3)反萃取段：将步骤2)所得有机相在所述离心萃取机中进行反萃取，常温，4级逆流反萃取；所述有机相和反萃取剂的体积比为5∶1；反萃取剂为质量浓度为25％的硫酸钠水溶液。

[0063] 所述离心萃取机的结构见实施例1。

[0064] 最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。