Спосіб очистки полікристалічних алмазів

Реферат: Спосіб очистки полікристалічних алмазів розплавом NaNO3 та NaOH шляхом взаємодії алмазографітової шихти у кількості 5-15 % з розплавами лугу та селітри у співвідношенні від 3:1 до 1:3. При цьому процес проводиться перші 30-60 хв. при 220-300 °C, після чого температура протягом 20-30 хв. поступово підвищується до 450-600 °C. UA 104179 U (54) СПОСІБ ОЧИСТКИ ПОЛІКРИСТАЛІЧНИХ АЛМАЗІВ UA 104179 U UA 104179 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до хімічних процесів виробництва та очистки синтетичних алмазів і може бути використаний для вилучення алмазів із продукту динамічного синтезу ультрадисперсних полікристалічних алмазів. Відомі методи одержання ультрадисперсних та полікристалічних алмазів із їх сумішей з графітом та аморфним вуглецем (алмазографітової суміші) шляхом окислення його розплавами, рідкими та твердими реагентами [1, 2, 3], які основані на різній швидкості реакції окислення алмазу та не алмазних форм вуглецю у присутності кислих та лужних окисників. Недоліками цих методів є те, що вони потребують великої кількості реактивів, що затрудняє утилізацію відходів, негативно впливають на стан навколишнього середовища, зокрема потребують спеціального обладнання приміщень та забезпечення заходів з охорони праці робітників алмазографітового виробництва. Обробка шихти при підвищеному тиску і температурі 320-400 °C водним розчином азотної кислоти або розчином лужного металу (K, Na) [4, 5] дозволяє знизити небезпеку хімічного процесу, але ці методи характеризується, складністю обладнання та малою продуктивністю внаслідок відносно низької температури проведення хімічного процесу. Найбільш близьким за технічною суттю є спосіб взаємодії алмазографітової суміші статичного синтезу з розплавом нітратів і гідрооксидів калію або натрію при температурі від 300 до 650 °C [6]. Який дозволяє повністю видаляти графіт з сировини. Основними недоліками способу-прототипу є те, що велика активність ультрадисперсного вуглецю, що міститься у сировині разом з крупними частками графіту, і який має велику питому поверхню, приводить до нестабільності температурного режиму процесу - можливості саморозігріву реакційної суміші (з можливістю вибуху) з повним окисленням всіх форм вуглецю і зниження таким чином сумарного ступеня очистки. З іншої сторони, зниження температури обробки призводить до неповної очистки сировини від крупних часток графіту. Таким чином, зазначені недоліки способу-прототипу об'єктивно закономірні, оскільки вони визначаються механізмом взаємодії компонентів суміші з реагентами та і їх не можна усунути в рамках способу-прототипу. В основі запропонованого способу поставлено задачу шляхом взаємодії алмазографітової шихти у кількості 5-15 % з розплавами лугу та селітри у співвідношенні від 3:1 до 1:3 спростити технологію та підвищити продуктивність окиснення графіту, при цьому запропонована корисна модель дозволяє: - підвищити ступінь переробки сировини; - зменшити втрати сировини; - зменшити пожежну безпеку виробництва; - збільшити економічну ефективність; - збільшити потужність виробництва. Істотною відмінністю корисної моделі від способу-прототипу, що забезпечує технічний результат є те, що процес проводиться перші 30-60 хв. при 220-300 °C, після чого температура поступово підвищується до 450-600 °C за 20-30 хв. Нами встановлено, що використання таких співвідношень компонентів і такої температури технологічних параметрів, що заявляється, дозволяє підвищити потужність виробництва, зменшити втрати сировини, підвищити ступінь очистки алмазу до 99,99 %, знизити безпеку виробництва та знизити собівартість кінцевого продукту на 30-50 %. Позитивний ефект, що спостерігається в запропонованій корисній моделі, можна пояснити наступними фактами. По-перше, на відміну від алмазографітової шихти статичного синтезу алмазографітова шихта динамічного синтезу містить в собі не тільки графіт, але й аморфний вуглець, який є значно більш реакційно здатний. По-друге, і графіт і алмаз в шихті мають велику дисперсність, а саме тому високу реакційну здатність. По-третє, кількість неалмазних форм вуглецю (графіт та аморфний вуглець) в 3-5 разів перевищує кількість ультрадисперсних алмазів, що також підвищує реакційну здатність суміші. Все це призводить до того, що швидкість реакції окиснення вуглецю у розплаві з ультрадисперсними алмазами на порядок перевищує швидкість реакції для сировини з вмістом алмазних мікропорошків. Це викликає локальне підвищення температури з можливим запаленням всієї реакційної суміші і повним вигорянням всіх вуглецевих форм включно з ультрадисперсними алмазами. Проведені теоретичні розрахунки і експериментальні дослідження показали, що найбільш ефективним шляхом вирішення цієї проблеми є зниження кількості алмазографітової шихти у реакційній суміші до 15 %. В цьому випадку кількість енергії що виділяється є недостатньою для 1 UA 104179 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 утворення локальних осередків загоряння, оскільки швидкість реакції є меншою за швидкість відводу тепла від зони реакції і технологічний процес перебігає стабільно. Одночасно з тим було встановлено, що при зменшенні концентрації алмазографітової шихти у реакційній суміші менше ніж 5 % швидкість реакції окиснення падає настільки, що значна частина неалмазних форм вуглецю не встигає прореагувати і кінцева ступінь очистки не перевищує 98 %. Крім того, було встановлено, що для сировини, яка містить ультрадисперсні алмази необхідно підтримувати температуру не вище 300 °C. Ця температура не призводить до значних втрат алмазів навіть при витримці в реакційній суміші більш ніж 2 години. У той же час, підвищення температури в період максимальної швидкості реакції до 320 °C призводить до зменшення виходу кінцевого продукту майже на 20 %. При температурі реакційної суміші менше ніж 220 °C енергії хімічного процесу на поверхні вуглецю не вистачає для початку реакції окиснення і повне видалення (більше ніж 99,9 %) неалмазних форм вуглецю перевищує 90 хвилин. У той же час, аналіз різних видів сировини полікристалічних алмазів показав, що більше половини графітових часток, з яких складається сировина мають розміри, більші ніж 10 мкм, для яких температурний діапазон обробки більш прийнятний від 450 до 600 °C. Експериментальні дані показали, можливість забезпечення цього діапазону, але тільки після майже повного видалення ультрадисперсних часток графіту та аморфного вуглецю. Таким чином параметри технологічного процесу визначаються фізико-хімічними основами протікання процесу і вибираються таким чином, щоб забезпечити найкращу ефективність процесу. Нами встановлено, що при співвідношенні NaOH: NaNO3 від 1:3 до 3:1, кількість алмазографітової шихти з вмістом ультрадисперсних алмазів повинно складати не менше 5 % і не більше 15 %, що створює умови стабільного протікання реакції окиснення і запобігає можливому самозапаленню реакційної суміші. При температурі реакції менше ніж 220 °C енергії реакції окиснення вуглецю є недостатньою для її початку і тому загальна швидкість реакції незначна. При температурі вище 300 °C швидкість окислення алмазу підвищується до такого ступеня, що частина дрібно алмазів окислюється разом з графітом і вихід готової сировини значно знижується. Часу у 30-60 хвилин достатньо для окиснення всіх ультрадисперсних часток графіту та аморфного вуглецю, що дозволяє підвищити температуру реакції до 450-600 °C і повністю видалити без втрат ультрадисперсних алмазів великі частки графіту. Час, необхідний для завершення цієї стадії, становить від 20 до 30 хв. Спосіб здійснюють таким чином: Алмазографітову шихту змішують в заданих пропорціях з сумішшю селітри і лугу, нагрівають до заданої температури і витримують до припинення бурхливої реакції розплаву з дрібнодисперсною частиною сировини, після цього температуру підвищують до повного зникнення частинок неалмазних форм вуглецю на поверхні розплаву. Суміш охолоджують і розділяють на тверду і рідкі фази за допомогою розчинення у воді. Тверда фаза, при необхідності, піддасться подальшій обробці для повного видалення залишків оксидів металів. Приклад 1. 220 г алмазографітової шихти детонаційного синтезу, яка містить 30 % полікристалічного алмазу змішують з 600 г NaOH і 1600 г NaNO3. Суміш перемішують, нагрівають до температури 250 °C. Через 40 хвилин, після припинення бурхливої реакції, суміш поступово нагрівають до температури 550 °C до повного зникнення часток графіту на поверхні розплаву та зміни кольору розплаву з чорного на світло-сірий, суміш охолоджують і розділяють на тверду і рідкі фази розчиненням у воді. Кінцевий продукт вміщує не більше 0,01 % неалмазних форм вуглецю. Приклад 2. 160 г алмазографітової шихти детонаційного синтезу, яка містить 20 % полікристалічного алмазу змішують з 600 г NaOH і 1600 г NaNO3. Суміш перемішують, нагрівають до температури 280 °C. Через 30 хвилин, після припинення бурхливої реакції, суміш поступово нагрівають до температури 450 °C до повного зникнення часток графіту на поверхні розплаву та зміни кольору розплаву з чорного на світло-сірий, суміш охолоджують і розділяють на тверду і рідкі фази розчиненням у воді. Кінцевий продукт вміщує не більше 0,01 % неалмазних форм вуглецю. Приклад 3. 120 г алмазографітової шихти детонаційного синтезу, яка містить 30 % полікристалічного алмазу змішують з 1400 г NaOH і 600 г NaNO3. Суміш перемішують, нагрівають до температури 290 °C. Через 30 хвилин, після припинення бурної реакції, суміш поступово нагрівають до температури 600 °C до повного зникнення часток графіту на поверхні розплаву та зміни кольору розплаву з чорного на світло-сірий, суміш охолоджують і розділяють 2 UA 104179 U 5 10 15 20 на тверду і рідкі фази розчиненням у воді. Кінцевий продукт містить не більше 0,01 % неалмазних форм вуглецю. У такий спосіб обробка суміші алмазу та вуглецю розплавами NaOH та NaNO3 дозволяє зменшити втрати алмазів до 0,2 % та підвищити ступінь очистки алмазів до 99,99 %. Джерела інформації: 1. Путятин П.А. и др. Химические методы извлечения алмазов из продуктов синтеза. Сверхтвердые материалы. - 1982. - № 1. - с. 20-28. 2. А.С. СССР 1770271, С01 В31/06 друк.23.10.1992 бюл. № 39. 3. Путятин А.А. Никольская И.Н. Химические методы извлечения алмазов из продуктов синтеза. - Сверхтвердые материалы. - 1982. - № 2. - с. 34-44. 4. Патент РФ № 2109683 від 27.04.1998. 5. Патент РФ 2132816 від 10.07.1999. 6. Патент України 78915 від 25.04.2007. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб очистки полікристалічних алмазів розплавом NaNO3 та NaOH шляхом взаємодії алмазографітової шихти у кількості 5-15 % з розплавами лугу та селітри у співвідношенні від 3:1 до 1:3, який відрізняється тим, що процес проводиться перші 30-60 хв. при 220-300 °C, після чого температура протягом 20-30 хв. поступово підвищується до 450-600 °C. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3