高选择性分离锂同位素新型冠醚类复合吸附材料的制备及构效研究

Lithium-6 and lithium-7 are two stable lithium isotopes. Lithium-6 is valuable as the source material for the production of tritium which is essential for nuclear fusion reactions, while lithium-7 is widely used as nuclear reactor coolant and heating medium. Researches on the separation techniques are of great importance for the development of advanced nuclear energy technology in our country. Among the miscellaneous methods, extraction chromatography based on the crown ethers’ specific coordination with lithium is promising for practical use. However, so far, the reported crown ether decorated adsorption materials still suffered from relatively low adsorption capacity and slow kinetics, which cannot fulfill the requirement of lithium isotope separation. This study intends to develop new crown ether functionalized composites for the efficient separation of lithium isotopes. A series of crown ether molecules will be sorted and synthesized based on theoretical calculation and molecular design, followed by the anchoring to polymeric micro-spheres and ordered mesoporous silicas, respectively. Two categories of crown ether functionalized composites with high functionalization degree and large specific surface area will be obtained. The adsorption behavior towards lithium isotopes as well as the relationship between the structure and performance will be investigated. The controlling factors of the adsorption process and separation mechanism will be elucidated. Finally, by the use of the optimized composites, a chromatographic process will be proposed for the highly efficient separation of the lithium isotopes. This study is expected to provide important scientific supports for the development of lithium isotopes separation technology.

Li-6和Li-7是锂的两种稳定同位素，Li-6可用于生产核聚变反应所需的氚，Li-7被广泛用于核反应堆冷却剂和载热剂。研究锂同位素的分离对于发展我国先进核能技术具有重要意义。在众多分离方法中，基于冠醚类化合物对锂的特定络合作用构建的萃取色谱分离方法具有良好的应用前景，然而现有冠醚修饰的吸附材料大多存在吸附容量偏低、动力学速度较慢等缺陷，尚无法满足锂同位素分离的应用需求。本项目拟结合理论计算和分子设计，筛选并合成出一批可有效分离锂同位素的冠醚单体；以化学键合方式分别负载于聚合物微球和有序介孔硅基材料表面，制备出两大类官能化程度高、比表面积大的冠醚复合吸附材料；研究锂同位素的吸附分离行为及其构效关系，确定吸附分离过程的控制因素并阐明吸附机理，基于优化后的材料建立一个可高效分离锂同位素的萃取色谱方法。本项目的完成将为高效分离锂同位素技术的发展提供重要的学科依据。

锂同位素分离研究对于发展我国先进核能技术具有重要意义。基于冠醚对锂离子特定的络合作用，构建冠醚功能化吸附材料并用于锂同位素分离具有良好的应用前景。为克服现有冠醚修饰吸附材料吸附容量偏低、动力学速度较慢等缺陷，本项目围绕高选择性分离锂同位素的新型冠醚复合吸附材料及其吸附分离行为展开系统研究。. 项目的主要研究结果可归纳为下述几个方面：1）基于理论计算，确定了金属离子同冠醚（肽）化合物形成配合物的结合能和同位素效应，为冠醚（肽）配体分子的设计、合成提供了理论依据；2）成功合成出具有不同空腔尺寸的冠醚（肽）配体分子以及多种取代基衍生物，着重优化了具有较大锂同位素分离能力的4’-氨基苯并-15-冠-5的合成路线；3）对比研究了不同冠醚配体在液-液萃取体系中对于锂同位素的分离性能，确定了取代基效应、阴离子效应、溶剂效应以及温度效应的影响；4）利用表面化学接枝、辐照接枝、可控/活性自由基聚合等方法，以有序介孔氧化硅、纤维素微球、大孔聚合物树脂等为载体材料，成功制备出多种冠醚（肽）功能化的吸附材料，并系统研究了其吸附分离锂同位素的行为。在优化后的吸附分离体系中，实现对锂盐最大吸附容量大于100 mg/g，对同族碱金属离子选择性参数大于2，分离因子达到1.05；5）基于冠醚接枝大孔聚合物树脂、纤维素微球等材料建立了动态分离锂同位素的萃取色谱流程，优化了分离、洗脱过程的操作参数，并通过理论计算评估了串级流程的分离效率。. 本项目研究成果已发表29篇学术论文，申请国家发明专利8项。本项目为推进后续锂同位素分离材料的研究奠定了良好的基础。