冠醚接枝聚乙烯醇微孔膜制备及其锂同位素吸附分离性能研究

摘要

锂是世界上最轻的金属元素。自然界中的锂有6Li和7Li两种稳定同位素，其中，6Li是核聚变反应堆必不可少的燃料，可以通过中子的轰击使得氚和氦不断增殖，而7Li则被用作核聚变反应堆的堆心冷却剂和导热的载热剂。所以，锂同位素分离和提纯对于绿色核能的开发和发展至关重要。本文利用冠醚分子对锂同位素的吸附和分离效应，通过化学接枝法将其固载到高分子聚合物中并进行微孔膜结构调控，探索微孔膜对锂同位素的吸附和分离性能。
　　本文以冠醚接枝聚乙烯醇(PVA-g-FB15C5)为膜材料，以水为溶剂，通过浸没沉淀相转化技术，以过饱和硫酸钠溶液为凝固浴，考察了致孔剂用量、铸膜液温度和粘度、凝固浴温度、交联时间以及交联温度等对膜结构和膜性能的影响。结果表明，在没有致孔剂的情况下，PVA-g-FB15C5膜上表面会出现较厚的皮层结构，当PEG2000添加量为1％时，PVA-g-FB15C5出现了较好的海绵状孔结构。在最佳成膜条件下得到的膜平均孔径为0.211μm，孔隙率60.5％，水通量达到1225L/m2·h。此外，随着交联时间的增加，在交联60min后，交联度趋于平衡，接近33％左右，当交联温度为30℃、交联时间为20min时，膜操作性能最稳定。
　　采用静态吸附法研究了PVA-g-FB15C5微孔膜对锂离子吸附的吸附动力学、吸附热力学，并采用Lagrange准一级动力学方程、准二级动力学学方程、Langmuir等温线方程、Freundlich等温线方程、Dubinin-Radushkevich等温线方程以及Temkin等温线方程对实验数据进行了拟合。结果表明，在实验温度范围内PVA-g-FB15C5微孔膜对锂离子的吸附率均随着吸附时间的延长而增加，在30min时达到吸附平衡。PVA-g-FB15C5微孔膜对锂离子的吸附动力学符合Lagrange准二级动力学方程，表明该吸附过程为典型的化学吸附。吸附热力学符合Freundlich等温线方程，表明吸附主要发生在PVA-g-FB15C5微孔膜的膜内部活性区位，属于多分子层吸附。在实验温度范围内，吉布斯自由能变、吸附焓变和熵变均为负值，表明PVA-g-FB15C5微孔膜对锂离子的吸附为自发进行的放热过程。
　　采用液-固萃取体系研究了PVA-g-FB15C5微孔膜对锂同位素的分离性能，系统考察萃取时间、温度、锂盐种类、溶剂种类和冠醚固载量等因素对锂同位素分离性能的影响。结果表明，当冠醚固载于PVA之后，随着固载量从0.317mmol/g升高至1.836mmol/g，分离因子由1.01±0.002提高到1.046±0.002。在传统的液液萃取相比，将FB15C5溶解于三氯甲烷为有机相，得到分离因子为1.022。与液液萃取体系富集类型不同的是，7Li富集于有机相，轻同位素6Li富集于液相。另外，在20℃下，以锂盐为LiI，异丙醇为溶剂时，微孔膜单级分离因子高达1.06±0.002。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目的

1．3 研究内容

第二章 文献综述

2．1 聚醚单体作为萃取剂在液液萃取体系锂同位素富集类型

2．2 聚醚单体作为萃取剂在液固萃取体系锂同位素富集类型

2．3 总结与展望

第三章 冠醚接枝聚乙烯醇微孔膜制备

3．1 本章内容

3．2 冠醚接枝聚乙烯醇薄膜制备

3．2．1 实验原料

3．2．2 设备仪器

3．2．3 冠醚接枝聚乙烯醇薄膜制备

3．2．4 膜结构表征与性能测试方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 铸膜液的准备及其对膜结构影响

3．3．2 凝固浴对膜结构影响

3．3．3 微孔膜交联方法及交联度计算方法

3．3．4 微孔膜交联对膜结构的影响

3．3．5 孔径分析

3．4 本章小结

第四章 冠醚接枝聚乙烯醇微孔膜锂离子吸附性能研究

4．1 本章内容

4．2 冠醚接枝聚乙烯醇对锂离子吸附

4．2．1 实验原料

4．2．2 设备仪器

4．2．3 锂离子溶液的配制

4．2．4 吸附实验

4．3 冠醚接枝聚乙烯醇对锂离子吸附动力学和吸附热力学

4．3．1 温度和时间对吸附性能的影响

4．3．2 吸附动力学

4．3．3 吸附热力学

4．4 本章小结

第五章 冠醚接枝聚乙烯醇微孔膜锂同位素分离性能研究

5．1 本章内容

5．2 实验部分

5．2．1 实验原料

5．2．2 实验仪器

5．2．3 冠醚接枝聚乙烯醇锂同位素分离效应研究

5．3 冠醚接枝聚乙烯醇微孔膜锂同位素分离效应

5．3．1 萃取时间对锂同位素分离性能影响

5．3．2 萃取温度对锂同位素分离性能影响

5．3．3 不同锂盐种类对锂同位素分离性能影响

5．3．4 不同溶剂种类对锂同位素分离性能影响

5．3．5 不同冠醚固载量对锂同位素分离性能影响

5．3．6 富集类型分析

5．4 本章小结

第六章 结论及下一步建议

6．1 结论

6．2 下一步建议

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢