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自然界中存在鋰的兩種天然同位素,即7Li和6Li,分別占到92.48%和7.52%。這兩種同位素的核反應性能截然不同,但都在核材料領域中占有重要地位。在釷基熔鹽堆中,7Li是必不可少的熔鹽冷卻劑,由于6Li的熱中子吸收截面非常高,達到941barns,而7Li僅為0.033barns,所以,熔鹽堆對7Li的同位素豐度要求>99.995%。同時,高純度的7Li常用于調節壓水堆中一次冷卻劑的PH值,在聚變堆中7Li也用作于導熱的載熱劑。另一方面,6Li是核聚變堆中的燃料,其中6Li的同位素豐度要求>30%。不論是釷基熔鹽堆還是核聚變堆,鋰同位素都是不可或缺的戰略材料和能源材料,都將對新能源的開發提供新的解決方案。
分離鋰同位素的方法有:物理方法(如電磁法、分子蒸餾法和氣體擴散法等)和化學方法(如電遷移法、電解法、鋰汞齊交換法和溶劑萃取交換法等)。在同位素分離中,對于重同位素用物理方法比較有利;而對于輕同位素,則化學方法效率較高,物理方法效率很低、投資巨大。
作為一種可以實用的鋰同位素分離工藝,除了要求分離體系具有較大的單級同位素分離系數α值外,在化工工藝方面,必須要能夠實現多級級聯。這就要求開發出特殊的串級控制工藝,包括要有嚴格的回流控制方法,回流必須徹底、方便、能耗小;必須要實現工藝中精確加料、取料;要計算和控制同位素富集段的流量大小和波動情況,最終采用多級級聯形式,實現累積富集同位素,得到高豐度的鋰-7同位素產品。
鋰-7同位素的萃取工藝主要采用回流串級工藝,包含下列工段:上回流段、提取段、富集段、下回流段和取產品段。回流段、提取段、富集段、下回流段和取產品段分別由多個液液分離設備串級連接構成,其中,液液分離設備為CWL-離心萃取機。
這是因為,同位素富集過程中,化學體系的單級分離系數都較小,因此,在體系具有單級分離系數的基礎上,采用本回流串級工藝,連接和控制多級萃取設備,可以實現多級累積富集鋰同位素。
由于分離設備需要的級數多,可靠性要求高,所以分離設備的選擇十分重要。對于互不相容的有機相和水相,采用高效的液液分離設備——CWL-離心萃取機可以大大縮短平衡時間、減少萃取劑用量和較少萃取設備體積。