alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2018.22-24.107-118alternative-1489Research ArticleТРАНСПОРТНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СРЕДСТВАОБОГАЩЕНИЕ ЛИТИЯ ПО ИЗОТОПУ 7Li ЭЛЕКТРОМЕМБРАННЫМ МЕТОДОМLITHIUM ENRICHING BY ISOTOPE 7Li WITH ELECTROMEMBRANE METHODГабриелянА. В.GabrielyanA. V.

Армине Ванушовна Габриелян - аспирант

д. 1, ул. Аданаи, Ереван, 0082

Armine Gabrielyan - Ph.D. Student

1 Adanai St., Yerevan, 0082

КазарянМ. А.KazaryanМ. A.

Мишик Айразатович Казарян - доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

д. 53, Ленинский проспект, Москва, 119991

Mishik Kazaryan - D.Sc. in Physics and Mathematics

53 Leninsky Av., Moscow, 119991

postmaster@lebedev.ruМартоянА. Г.MartoyanA. G.

Айкануш Гагиковна Мартоян – магистрант

д. 1, ул. Аданаи, Ереван, 0082

Haykanush Martoyan - M.Sc. Student, Ecoatom

1 Adanai St., Yerevan, 0082

fmartoian@yahoo.comСачковВ. И.SachkovV. I.

Виктор Иванович Сачков - доктор химических наук, заведующий лабораторией

д. 1, пл. Новособорная, Томск, 634050

Victor Sachkov - D.Sc. in Chemistry, Head of the Laboratory

1 Novosobornaya Sq., Tomsk, 634050

itc@spti.tsu.ruМартоянГ. А.MartoyanG. A.

Гагик Ашотович Мартоян - кандидат химических наук

д. 1, ул. Аданаи, Ереван, 0082

Gagik Martoyan - Ph.D. in Chemistry

1 Adanai St., Yerevan, 0082

martoian@yahoo.comООО НПО «Экоатом»АрменияSci.-Ind. ECOATOM LLCArmeniaФизический институт им. П.Н. Лебедева РАНРоссияPhysical Institute. P.N. Lebedev of the Russian Academy of SciencesRussian FederationСибирский физико-технический институт при Томском государственном университетеРоссияSiberian Physical-Technical Institute of Tomsk State UniversityRussian Federation201805112018022-24107118Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20182018Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1489

Потребность в изотопах в ядерной энергетике, медицине и в области контроля инженерных и строительных сооружений возрастает ежегодно, а существующие методы разделения изотопов не позволяют обеспечить спрос по значительному списку изотопов, а также чистоту изотопов лития. В настоящее время процесс амальгамирования является основной технологией обогащения 7Li. Другие методы имеют очень низкую эффективность разделения и непригодны для массового производства. Эта работа посвящена новому методу обогащения изотопа 7Li, параллельно приведен модифицированный авторами данной статьи метод разделения изотопов лития амальгамированием. Исследование относится к физической химии, в частности, к электромиграционным процессам и методам разделения изотопов лития. Новым перспективным подходом для разделения изотопов Li является электродиализный процесс, использующий в качестве электролита ионную жидкость. Приведены данные об актуальности и областях применения изотопов 7Li, рассмотрены существующие методы и критерии разделения изотопов лития. Кратко описаны: принцип новой технологии, режимы экспериментов по обогащению и детали анализа полученных продуктов. Новая технология демонстрирует хорошие экологические характеристики, поддается массовому производству и обладает очень низким энергопотреблением. Однако необходимо решить проблему чувствительности ионных жидкостей к примесям, которые неизбежно появляются в электролите в процессе разделения. Одной из важнейших характеристик методов и технологий разделения изотопов является удельное энергопотребление, поэтому сейчас остро стоит вопрос снижения энергозатрат, для чего требуется создание новых способов разделения и очистки изотопных систем, а также модернизация уже внедренных в промышленности технологий. Предложенный в статье способ обогащения изотопа 7Li осуществляется посредством управления процессом электромиграции ионов лития через ионообменные мембраны в отсеках электролитической установки. Работа в перспективе может обеспечить повышение эффективности процесса обогащения изотопа 7Li и снижение удельных энергетических затрат.

The need for using isotopes in the nuclear power engineering, medicine, as well as in the sphere of control of engineering and construction facilities is increasing annually. However, the isotope separation methods do not allow to meet the need for production of a significant list of isotopes, including the purity of lithium isotopes. The process of amalgamation to date is the main technology of enrichment of 7Li in practical use. Other methods have very low separation efficiency and are not suitable for mass production. The present work is devoted to a new method for enriching the isotope 7Li, in parallel, the work presents the method of separating lithium isotopes by amalgamation modified by authors. The study relates to physical chemistry, in particular to electromigration processes and methods for separating lithium isotopes. A new promising approach for separating Li isotopes is the electrodialysis process using an ionic liquid as an electrolyte. Data on the relevance and uses of 7Li isotopes are given, the existing methods and criteria for the separation of lithium isotopes are considered. The article briefly describes the principle of the new technology, the regimes of enrichment experiments and the details of analysis of products obtained. Moreover, the new technology demonstrates the good environmental characteristics, it is amenable to mass production and has very low power consumption. However, it should be also emphasized that ionic liquids are very sensitive to impurities which inevitably appear in the electrolyte during separation process. One of the most important characteristics of isotope separation methods and technologies is the specific energy consumption, so currently the problem of reducing energy consumption is acute, for which it is necessary to create new methods for separation and purification of isotope systems and modernization of technologies already introduced in industry. The proposed method for enriching the 7Li isotope is carried out by controlling the process of electromigration of lithium ions through ion-exchange membranes in the electrolytic cell compartments. The work in the long-term future can ensure an increase in the efficiency of enrichment process for the 7Li isotope and a decrease in specific energy costs.

электромиграция ионовизотопы литияразделение изотоповионообменные мембраныelectromigrationionlithium isotopesisotope separationion-exchange membranesReferencesYoshinobu Y. Studies on Isotope Separation of lithium by Electromigration in Fused lithium Bromide and Potassium Bromide Mixture / Y. Yoshinobu // Enrichment of lithium-7. Journal of Nuclear Science and Technology. – 1969. – Vol. 6. – No. 12. – P. 698–702.Yoshinobu Y. Studies on Isotope Separation of lithium by Electromigration in Fused lithium Bromide and Potassium Bromide Mixture. Enrichment of lithium7. Journal of Nuclear Science and Technology, 1969;6(12):698–702.Makoto, F. Isotope Effects in Electrolytic Formation of Lithium Amalgam / F. Makoto, F. Yasuhiko, N. Masao, O. Makoto // Journal of Nuclear Science and Technology. – 1986. – Vol. 23. – No.4. – P. 330–337.Makoto F., Yasuhiko F., Masao N., Makoto O. Isotope Effects in Electrolytic Formation of Lithium Amalgam. Journal of Nuclear Science and Technology, 1986; 23(4):330–337Klemm, A. Molten Salt Chemistry / A. Klemm, M. Blamder (Ed.). – Interscience Publishers, Inc., New York, 1964. – 642 p.Klemm, A. Molten Salt Chemistry; M. Blamder (Ed.). Interscience Publishers, Inc., New York, 1964; 642 p.Сачков, В.И. Селекция легких изотопов в условиях формирования границы раздела фаз / В.И. Сачков [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2007. – Т. 6. – С. 60–68.Sachkov V.I., Andrienko O.S., Kazaryan M.A., Malinovskaya T.D., Kabaev S.T., Knyazev A.S., Mal'kov V.S. Selection of light isotopes in condition the formation in the phase boundary (Selektsiya legkikh izotopov v usloviyakh formirovaniya granitsy razdela faz). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2007;6(50):60–68 (in Russ.).Zenzai, К. Lithium Isotope Effect Accompanying Electrochemical Insertion of Lithium into Liquid Gallium / К. Zenzai [et al.] // Progress in Nuclear Energy. – 2008. – Vol 50. – P. 494–498.Zenzai К., Yanase S., Zhang Y., Oi T. Lithium Isotope Effect Accompanying Electrochemical Insertion of Lithium into Liquid Gallium. Progress in Nuclear Energy, 2010;50:461–467.Kim, D. Lithium isotope separation on a monobenzo-15-crown-5 resin / D. Kim // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 1991. – Vol. 150. – No. 2. – P. 417–426.Kim D. Lithium isotope separation on a monobenzo-15-crown-5 resin. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 1991;150(2):417–426.Mouri, M. Observation of lithium isotope effects accompanying electrochemical insertion of lithium into zinc/ M. Mouri, S.T. Yanase // J. Nucl. Sci. Technol. – 2008. – Vol. 45. – P. 384–389.Mouri M., Yanase S.T. Observation of lithium isotope effects accompanying electrochemical insertion of lithium into zinc. J. Nucl. Sci. Technol., 2008;45:384–389.Патент RU 2216391, Российская Федерация, МПК1 B01D 59/32, C01D 15/00 Способ и установка для обогащения изотопа лития-7 / Аброськин И. Е., Александров А. Б., Забелин Ю. В., Игнатьев П.П., Неустроев В.Н., Пащенко В.П., Степанов В. И.; заявители и патентообладатели Новосибирский завод химконцентратов – № 20011120122/12; заявл. 27.06.2003; опубл. 2003/11/23. –16 с: 9 фиг., 3 табл.Abroskin I.E. Patent RU 2216391: Method and installation for the enrichment of lithium-7 isotope (Sposob i ustanovka obogashcheniya izotopa litiya-7). 2001 (in Russ.).Иcупов, В. П. Коэффициенты разделения изотопов лития при химическом изотопном обмене / В.П. Иcупов [и др.] // Химия в интересах устойчивого развития. – 2001. – Т. 9. – С. 183–198.Icupov V.P. Mitrofanova R.P., Chupakhina L.E., Lyakhov N.Z., Aleksandrov A.B., Belozerov I.M., The separation coefficients of lithium isotopes in chemical isotope exchange. (Koeffitsienty razdeleniya izotopov litiya pri khimicheskom izotopnom obmene). Khimiya v interesakh ustoichivogo razvitiya, 2001;9:183–198 (in Russ.).Patent 4931153 United States C25D 3/66, 204/39 Electrolytic Treatment of Radioactive Liquid Waste to Remove Sodium /Katsuyuki O., Yoshiharu T., Hideaki T., Fukuoaka; assign. Doryokuro K.K.J. – No. 233,625; Filed 18.08.1988, publ. date 05/06/1990. – 3 p., 2 Fig.Katsuyuki O., Yoshiharu T., Hideaki T., Fukuoaka. Patent 4931153 United States IPC C25D 3/66, 204/39 no. 233,625: Electrolytic Treatment of Radioactive Liquid Waste to Remove Sodium, 1990.Patent 2004/005586 World Intellectual Property Organization C25C 1/100 G21F 9/06 C02F 1/46 Electrolytic Method of the Extraction of Metals / Martoyan G., Intsheyan S. Tonikyan S., Demirchyan M. and Guiragossian Z., applicants and inventors Martoyan G., Intsheyan S., Tonikyan S., Demirchyan M. and Guiragossian Z. – No. PCT/AM2003/000002, Filed 27.06.2003, publ. date 15/01/2004. – 5 p., 2 Fig, 3 table.Martoyan G., Intsheyan S. Tonikyan S., Demirchyan M. and Guiragossian Z. Patent 2004/005586, no. PCT: World Intellectual Property Organization IPC C25C1/100, Electrolytic Method of the Extraction of Metals, 2004.Hoshino, T. Basic Technology for 6Li Enrichment Using an Ionic-Liquid Impregnated Organic Membrane / T. Hoshino // Journal of Nuclear Materials. – 2011. – Vol. 417. – Iss. 1–3. – P. 696–699.Hoshino T. Basic Technology for 6Li Enrichment Using an Ionic-Liquid Impregnated Organic Membrane. Journal of Nuclear Materials, 2011;417(1):696–699.Patent 20130233720 A1 United States, C25C 5/02 C25C 7/00, 205/341 Extraction of Metals / Martoyan G.A., applicant and inventor Martoyan G.A. – No. 2013/0233720 A1, Apl. No. 13/663,418, Filed 29.10.2012, publ. date 12/09/2013. – 11 p., 6 Fig. , 3 table.Martoyan G.A. US Patent Application 20130233720 A1, IPC C25C5/02, no. 13/663,418,: Extraction of Metals, 2013.Martoyan, G.А. Prospects of lithium enrichment on 7Li isotope by method of controlled ions electromigration/ G.А.Martoyan [et al.] // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – No. 112; doi:10.1088/1757-899X/112/1/012035.Martoyan G., Kalugin М., Gabrielyan A. and Martoyan A. Prospects of lithium enrichment on 7Li isotope by method of controlled ions electromigration. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 2016;112:012035(1–5).Brozek, K. Lithium Isotope Enrichment: Feasible Domestic Enrichment Alternatives / K. Brozek. – Department of Nuclear Engineering University of California, Berkeley. – 2012-Report UCBTH-12-005.Brozek K. Lithium Isotope Enrichment: Feasible Domestic Enrichment Alternatives Department of Nuclear Engineering University of California, Berkeley, 2012-Report UCBTH-12-005.Двинских, Е.М. Перспективы производства лития и его соединений из сподуменового сырья России / Е.М. Двинских // Химия в интересах устойчивого развития. – 2012. – Т. 20.– С. 49–53.Dvinskikh E.M. Prospects for the production of lithium and its compounds of Russian spodumene raw materials (Perspektivy proizvodstva litiya i ego soedinenii iz spodumenovogo syr'ya Rossii). Khimiya v interesakh ustoichivogo razvitiya, 2012;20:49–53 (in Russ.).Guo, G.Z. Advance in Lithium Isotope Separation / G.Z. Guo, L. Zaijun, Y. Jie // Progress in Chemistry. – 2011. – Vol. 23. – Iss. 9.– P. 1892–1905.Guo G.Z, Zaijun L., Jie Y. Advance in Lithium Isotope Separation. Progress in Chemistry, 2011;23(9):1892–1905.Sun, X.-L.Liquid–liquid extraction to lithium isotope separation based on room-temperature ionic liquids containing 2,2′-binaphthyldiyl-17-crown-5/ S. Xiao-Li [et al.] // Journal of Nuclear Science and Technology. – 2015. – Vol. 52. – Iss. 3.– P. 332–341.Sun X.L., Zhou W., Gu L., Qiu D., Ren D.H., Gu Z.G. Liquid–liquid extraction to lithium isotope separation based on room-temperature ionic liquids containing 2,2′-binaphthyldiyl-17-crown-5/. Journal of Nuclear Science and Technology, 2015;52(3):332–341.Symons, E.A. Lithium Isotope Separation. A Review of Possible Techniques / E.A. Symons // Atomic Energy of Canada Limited, 1985. – P. 14–16.Symons E.A. Lithium Isotope Separation. A Review of Possible Techniques. Atomic Energy of Canada Limited, 1985;14–16.Дмитриев, С.Н. Электромиграционный метод в свободном электролите в радиохимических исследованиях/ С.Н. Дмитриев, М.В. Миланов, О. Д. Маслов // Радиохимия 2. – 2000. – Т. 42. –С. 97–105.Dmitriev S.N., Milanov M.V., Maslov O.D. Electromigration method in free electrolyte in radiochemical researches (Elektromigratsionnyi metod v svobodnom elektrolite v radiokhimicheskikh issledovaniyakh). Radiokhimiya 2, 2000;42:97–105 (in Russ.).Hagiwara, Z. Theoretical Treatment of IonExchange Systems Used for Lithium Isotope Separation / Z. Hagiwara // Journal of Nuclear Science and Technology. – 1969. – Vol. 6.– P. 508.Hagiwara Z. Theoretical Treatment of IonExchange Systems Used for Lithium Isotope Separation. Journal of Nuclear Science and Technology, 1969;6(9):508–513.Raizen, M.G. Magnetically activated and guided isotope separation / M.G. Raizen // New Journal of Physics. – 2012. – Vol. 14.– P. 12.Raizen M., Klappauf B. Magnetically activated and guided isotope separation. New Journal of Physics, 2012;14:023059(12).Фам Тхи, Л.Н. Разделение катионов натрия и кальция электродиализом с ионообменными мембранами / Л.Н. Фам Тхи, В.А. Шапошник, М.А. Макарова // Сорбционные и хроматографические процессы. – 2010. – Т. 10. – Вып. 2. – С. 246–252.Fam Tkhi L.N. Shaposhnik V., Makarova M. Separation of sodium and calcium cations by electrodialysis with ion-exchange membranes. Sorption and chromatographic processes, 2010;10(2):246–252. (in Russ.)Ласкорин, Б.Н. Деминерализация методом электродиализа / Б.Н. Ласкорин // Госатомиздат, 1963. – 361 с.Laskorin B.N. Demineralization by Electrodialysis Method (Demineralizatsiya metodom elektrodializa). Gosatomizdat Publ.,1963; 361 p. (in Russ.).Шапошник, В.А. Деминерализация воды электродиализом с применением межмембранной засыпки ионообменниками / В.А. Шапошник // Журн. прикл. химии. – 1973. – Т. 46. – № 12. – С. 2659–2663.Shaposhnik V.A. Water demineralization by electrodialysis using intermembrane filling with ion exchangers (Demineralizatsiya vody elektrodializom s primeneniem mezhmembrannoi zasypki ionoobmennikami). Zhurn. prikl. Khimii, 1973;46(12):2659– 2663 (in Russ.).Zemany, P.D. Determination of microgram quantities of potassium by X-Ray emission spectrography of ionexchange membranes / P.D. Zemany // Analyt. Chem. – 1958.– Vol. 30. – No. 2. – P. 299–300.Zemany P.D. Determination of microgram quantities of potassium by X-Ray emission spectrography of ionexchange membranes. Analyt. Chem., 1958;30(2):299–300.Ласкорин, Б.Н. Ионообменные мембраны и их применение / Б.Н. Ласкорин, Н.М. Смирнова, М.Н. Гантман. – Госатомиздат, 1967. – 161 с.Laskorin B.N., Smirnova N.M., Gantman M.N. Ion exchange membranes and their application (Ionoobmennye membrany i ikh primenenie). Gosatomizdat Publ., 1967; 161 p. (in Russ.).Шапошник, В.А. Облегченная электрохимия биполярных ионов в растворах глицина через ионоселективные мембраны / В.А. Шапошник [и др.] // Электрохимия. – 2001. – Т. 57. – № 2.– С. 195–201.Shaposhnik V.A., Eliseeva T.V., Tekuchev A.Yu., Lushchik I.G. Lightweight bipolar ion electrochemistry in glycine solutions through ion-selective membranes (Oblegchennaya elektrokhimiya bipolyarnykh ionov v rastvorakh glitsina cherez ionoselektivnye membrany. Elektrokhimiya, 2001;57(2):195–201(in Russ.).Рожкова, М.В. Разделение катионов с разным зарядом при электродиализе с использованием комплексообразования / М.В. Рожкова [и др.] // Электрохимия. – 1996. – Т. 32. – № 2.– С. 261–264.Rozhkova M.V., Shaposhnik V.A., Strygina I.P., Artemova L.V. Separation of cations with different charges during electrodialysis using complexation (Razdelenie kationov s raznym zaryadom pri elektrodialize s ispol'zovaniem kompleksoobrazovaniya). Elektrokhimiya, 1996;32(2):261–264 (in Russ.).Nishizawa, K. Extractive Separation of Lithium Isotopes Using Benzo-15-Crown-5. Effect of Salt Concentration / K. Nishizawa , T. Takano // Separation Science and Technology. – 1988. – Vol.23. – Iss. 6–7. – P. 751–757.Nishizawa K., Takano T. Extractive Separation of Lithium Isotopes Using Benzo-15-Crown-5. Effect of Salt Concentration. Separation Science and Technology, 1988;23( 6–7):751–757.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.