基于胆碱氯化物-乙二醇低共熔溶剂体系的锂同位素电迁移分离研究

《Separation and Purification Technology》：Electromigration separation of lithium isotopes in choline chloride-ethylene glycol deep eutectic solvent systems

本文创新性地采用胆碱氯化物-乙二醇低共熔溶剂（DES）体系，通过电迁移法实现了锂同位素的高效分离。研究通过优化ChCl摩尔分数、温度、压力等参数，获得了1.087±0.0023的优异分离系数，并基于硬软酸碱理论（HSAB）揭示了-OH···Cl?相互作用对锂同位素效应的影响。该工作为核工业用锂同位素分离提供了绿色高效的新策略（DES替代离子液体），具有重要应用价值。

　　

⁶锂和⁷锂在核工业中具有关键应用。⁶Li易与中子碰撞产生氚，因此丰度大于30%的⁶Li被用作受控热核聚变反应堆中的氚增殖剂。而⁷Li则用于避免氚的产生，例如在压水堆中用丰度达99.99%的⁷LiOH调节pH值。然而自然界中⁶Li和⁷Li的丰度分别仅为7.5%和92.5%，无法满足核工业需求。

⁶Li + n → T + α

锂汞法曾实现1.03-1.06的分离系数，但因汞的环境风险而停用。目前报道的分离方法包括激光法、离子交换色谱法、萃取法、膜分离法、电迁移法、电沉积法和电渗析法等。其中电迁移法具有环境友好、操作便捷的优势。

电迁移法的分离效果高度依赖溶剂体系。高温熔盐（LiNO₃, LiCl）因高同位素效应而表现优异，但存在高能耗、强腐蚀性等缺点。室温熔盐（离子液体）和冠醚虽能提高分离效率，但成本高昂且合成繁琐。深共熔溶剂（DES）作为"新时代溶剂"，兼具绿色可降解、制备简便等优势，是理想的替代方案。

本研究首次将胆碱氯化物-乙二醇DES体系应用于锂同位素电迁移分离，并采用钙钛矿型钛酸镧锂（Li_0.3La_0.567TiO₃）固体电解质膜作为隔膜。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析发现，DES中形成的-OH···Cl^?氢键网络是实现高同位素效应的关键。基于硬软酸碱理论（HSAB），硬碱Cl^?与硬酸Li⁺的强相互作用导致⁶Li和⁷Li在迁移过程中产生动力学分馏。

结论表明，LiCl-DES-10┃┃Li_0.3La_0.567TiO₃膜┃┃磷酸水溶液体系为锂同位素分离提供了新途径。当ChCl摩尔分数为10%、LiCl浓度80 g/L时获得最佳分离系数。循环伏安测试证明阳极反应为OH^-氧化，FT-IR证实Li⁺通过与Cl^?配位实现迁移。该研究为设计DES体系用于锂同位素分离提供了重要指导。