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氘化鋰是一種特殊的化工產品,分子式LiD,分子量8.96,外觀呈蘭色或灰白色粉末。CAS:13587-16-1.密度:0.906,熔點680℃,自燃或引爆溫度200℃,在常溫常壓下穩定,不得與氧化物、酸、水分(包括潮濕空氣)及酒精的物體接觸。必須儲存在通風陰涼干燥的惰 性氣體中。粉末狀的氫化鋰與液態水反應形成 LiOH和H,反應放熱且速率很大,可能會引發著火,甚至形成爆炸性混合氣體。
氘化鋰在冷壓等加工過程中會產生細粉末,這些固體廢物的化學性質與氫化鋰相似,具有潛在的反應活性,因此必須對氫(氘)化鋰固體廢物進行處理以降低其反 應活性。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室在上世紀90 年代初期研制了一種處置 方法:即通過與潮濕氮氣中的水汽反應,使氫化鋰中的氫得以釋放,反應活性降低。他們的研究表明,反應速率隨濕度和溫度的增加而增大,反應過程可以采用收縮未反應芯模型進行描述。
隨著我國經濟的快速發展,對氘化鋰的需求量與日俱增,而我國在此之前沒有氘化物的生產,我們在我國首先開發氘化鋰的合成研究。在過去的研究報道之中,氘化鋰多采用在一定加熱溫度條件下直接通入氘氣 進行制備,這是制備氘化鋰的最為便捷的方式,但是由于氘氣與鋰的反應程度 不夠,存在著氘化鋰缺陷多、氘/鋰原子比過小、吸氘量不足等問題,這也為氘 化鋰的規模研究與應用造成了障礙。
因此,創新和改進氘化鋰制備工藝,快速、 經濟、高效地制備高純度、低缺陷的氘化鋰,將為氘化鋰的快速發展應用奠定 基礎,具有重大意義和價值。
過去很長一段時間以來,由于氘化鋰一直應用于核聚變方面研究,因此需求量和使用量都比較小。然而,進入二十一世紀之后,隨著氘的用途的越來越廣泛,氘化鋰的應用范圍也在逐漸被擴大。
比如,從化學的角度考慮,氘化鋰儲氘量豐富,氘化鋰含氘量達22.48%,1kgLi可以反應吸收290g氘,更為優異的是,不同于鎂、鈦等的氘化物,氘化鋰是唯一能生成穩定得足以熔融而不分解 的氘化物堿金屬,這使得氘化鋰在儲氘方面有著很好的應用前景。
又比如,1kg 鋰燃燒后可釋放42998kJ的熱量,是用來作為火箭燃料的最佳金屬之一,氘化鋰擁有很高的化學能量水平,有望作為含能組分在猛炸藥、推進劑等中添加使用,以大大增強含能材料的做功能力。將氘化鋰應用于含能材料研究,這意味著對氘化鋰的儲氘品質提出更高要求,也意味著氘化鋰未來將擁有很大的需求量。其應用舉例如下:
用于合成氘化鋁鋰。氘化鋁鋰是一種特殊的精細化工 產品,隨著我國經濟的快速發展,對氘化鋁鋰的需求量日益增加。LiAlD4合成的技術含量較高,利潤空間較大,但在生產過程中涉及到高溫、易燃、易爆等方面的問題,工藝參數的控制 要求十分嚴格,因此國內研發處于空白階段。合成工藝包括以下步驟:
(1) 氘化鋰的合成:將金屬鋰放入反應裝置中,密封;反應裝置的一端用于抽真空和通入氣體,另一端通過管路連接有安全裝置,安全裝置內裝有水銀;對反應裝置減壓抽真空,抽真空后,從反應裝置的一端通入惰性氣體;再抽真空,再通入惰性氣體,如此反復三次,使得反應裝置中充滿惰性氣體;開始升溫,通入的氣體由惰性氣體變為氘氣;維持反應溫度為650-760℃常壓反應,反應過程中反應裝置內持續存在吸氘現象;當反應裝置另一端 的安全裝置內的水銀中出現氣泡時,繼續恒溫維持1-120min;當安全裝置不再出現吸氘現象且安全裝置內的水銀中出現大量氣泡時,停止加熱,同時停止通入氘氣,改通惰性氣體,反應結束;
(2) 氘化鋁鋰的合成:將三氯化鋁溶于乙醚或者四氫呋喃中制成三氯化鋁溶液,滴加到步驟1)得到的氘化鋰與乙醚或者四氫呋喃的混合物中,在回流的乙醚或者四氫呋喃中常壓反應,反應溫度為乙醚或者四氫呋喃的回流溫度,當三氯化鋁溶液滴加完成后反應結束;其中目標產物LiAlD4溶解于乙醚或者四氫呋喃中,經過蒸餾、減壓、真空后除去乙醚或 者四氫呋喃,得到白色粉末,即目標產物LiAlD4;所述三氯化鋁與氘化鋰的質量比為3.5-3.8:1。
一種氘化鋰的生產工藝及其濃度檢測方法。具體設計方案為:
金屬鋰在一定溫度下與氘氣直接反應,生成氘化鋰,其反應式為:
在一個反應裝置中,放入一反應舟,加入金屬鋰,加蓋密封,開始升溫,通入氬氣。氘化鋰合成過程中的影響因素包括反應溫度、金屬鋰純度、氘氣純度、氘氣中同位素豐度,氘化鋰合成的反應溫度為690℃-760℃;氘化鋰合成的反應時間為7h-9h。具體步驟如下:
步驟一、在惰性氣體保護下,將塊狀金屬鋰置于耐高溫敞口槽內,將耐高溫敞口槽置于敞口耐高溫容器中;
步驟二、在惰性氣體保護下,將步驟一的整體放入高溫加熱爐艙內,迅速關閉爐艙;通過抽真空與通入惰性氣體,使高溫加熱爐艙內的氣體完全排出;
步驟三、通過抽真空與通入氘氣,置換出高溫加熱爐艙內的惰性氣體,同時使高溫加熱爐艙內處于負壓狀態;
步驟四、保持步驟三的負壓狀態,以10~30℃/min的升溫速率將溫度升至 120~190℃;然后通入氘氣,恒定溫度下反應一段時間后;持續通入氘氣,同時 以3~15℃/min的速度升溫至150~300℃;持續通入氘氣,再以5~20℃/min的升溫速度將爐艙溫度升至250~600℃,停止加熱,恒定溫度和氘氣流速,直至氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡;
步驟五、將加熱爐艙溫度冷卻至常溫,用氬氣置換出爐艙內的氘氣,得到氘化鋰。
[1] 李贛, 陸光達, 敬文勇, 等. 氘化鋰粉末與 O2, CO2 和水汽的反應動力學研究[J]. 核化學與放射化學, 2004, 26(2): 99-102.
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[4] 車榮睿:陳昱:車瀛照:趙海燕.氘化鋰的生產工藝及其純度檢測方法.CN201611222148.5,申請日20161219