СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ПРИМЕСИ НЕАЛМАЗНОГО УГЛЕРОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК C01B31/06 

Изобретение относится к химической технологии и может быть использовнао на предприятиях, изготавливающих порошки синтетических алмазов.

Известен способ отделения алмазов от неалмазного углерода смешением алмазсодержащего материала с 40-60%-ным водным раствором нитрита, нитрата или хлората щелочного металла (окислитель) и последующей термообработки при температуре 500-550^оС в течение 1-1,5 ч.

Алмазсодержащий материал загружают в противень из нержавеющей стали. Затем шихту смачивают водным раствором окислителя для пропитки пористого графита, перемешивают и разравнивают слоем высотой не более 5-10 мм.

После этого противень с алмазсодержащей смесью и окислителем помещают в предварительно разогретую до 500-550^оС печь с воздушной атмосферой и выдерживают несколько часов. По окончании процесса противень с алмазами вынимают из печи и охлаждают. Затем проводят растворение остатков окислителя водой, промывку и сушку выделенных алмазов.

Отсюда, устройство, реализующее известный способ, содержит сосуд для размещения алмазсодержащего материала, пропитанного раствором окислителя, сосуд для приготовления раствора окислителя, нагреватель и устройство для отмывки выделенных алмазов от остатков окислителя.

Недостатком известного способа является необходимость утилизации испарений окислителя из печи и остаточного окислителя при промывке выделенных алмазов.

Кроме того, требуемая высокая температура термообработки ограничивает применимость способа в случае, например, очистки шихты, содержащей ультрадисперсные фракции алмазов, так как они начинают окисляться уже при 400^оС.

Целю изобретений как для способа, так и устройства для его осуществления, является упрощение процесса удаления неалмазного углерода из шихты искусственных алмазов и повышение его экологической чистоты.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе удаления примеси неалмазного углерода из шихты искусственных алмазов окислением окисление ведут пропусканием через шихту озоно-воздушной смеси с одновременным нагревом шихты до 120-400^оС до полного выгорания неалмазного углерода.

Устройство для реализации предлагаемого способа, содержащее сосуд для размещения шихты и нагреватель, снабжено генератором озоно-воздушной смеси и дополнительным сосудом для размещения шихты, соединенным с первым сосудом и имеющим большее, чем первый сосуд, проходное сечение по газу. Кроме того, устройство снабжено нагревателем дополнительного сосуда.

При продувании озоно-воздушной смеси через шихту некоторое ее количество увлекается потоком газа и выносится из реакционной зоны. Поэтому в устройство введен фильтр для улавливания выдуваемых частиц, выполненный в виде сосуда, наполненного такой же шихтой, но проходное по газу сечение этогоо сосуда больше проходного сечения сосуда реакционной камеры настолько, что газовый поток в сечении фильтра является ламинарным и не приводит к выносу частиц шихты из фильтра.

По мере выгорания графита в реакционной камере первого сосуда количество остаточного озона на входе фильтра увеличивается. Поэтому целесообразно нагревание шихты фильтра для того, чтобы с помощью окислительного процесса в фильтре обеспечить полную утилизацию остаточного озона из реакционной камеры первого сосуда.

Нагревание шихты активизирует реакцию окисления, что существенно (в десятки-тысячи раз) ускоряет этот процесс. Однако температура нагрева шихты должна устанавливаться ниже температурны, обеспечивающей энергию активации частиц алмаза, что и приводит к селективному окислению графита, энергия активации которого меньше. Нагрев одновременно обеспечивает и более эффективную утилизацию озона, так как распад его и превращение в кислород зависит от температуры и ускоряется с ее ростом.

Используемый окислитель (озон) может быть приготовлен с помощью известных устройств из воздуха и утилизирован в едином технологическом процессе удаления графита из шихты без применения дополнительных материалов и веществ. А после удаления графита не требуется дополнительной операции для удаления окислителя из шихты.

Предлагаемое изобретение позволяет для любой степени дисперсности алмазной шихты установить верхнюю границу ее нагрева, при которой еще не окисляется алмаз, но выгорает графит.

Изобретение иллюстрируется на фиг.1, где показано схематическое взаимное расположение элементов устройства, реализующего предлагаемый способ.

Сосуд 1, наполненный шихтой 2 искусственных алмазов, помещен в тепловое поле нагревателя 3. К входному штуцеру сосуда 1 подводится озоно-воздушная смесь от озонатора 4. Датчик измерителя температуры 5 размещается в массе шихты и позволяет контролировать температуру его нагрева.

Выход сосуда 1 соединен с входом сосуда 6, наполненного шихтой 7. Сосуд 6 также находится в тепловом поле нагревателя 8, а в массе шихты размещен датчик измерителя температуры 9.

При пропускании через шихту сосуда 1 озоно-воздушной смеси происходит окисление графита и, ее перемешивание. Продукты окисления (диоксид углерода), остаточный озон и некоторое количество шихты выносятся потоком газа из сосуда 1 в сосуд 6.

Так как проходное сечение сосуда 6 больше, чем сосуда 1, турбулентность газового потока уменьшается, он становится ламинарным и проходит через шихту 9. При этом частички шихты, вынесенной из сосуда 1, задерживаются микропористой структурой фильтра, а остаточный озон полностью либо реагирует с графитом, либо, разлагаясь, превращается в кислород.

Газовый поток из сосуда 6 через выходное отверстие поступает в атмосферу.

Критерием окончания процесса может служить, например, изменение цвета шихты в сосуде 1 от черного (в начальном состоянии частицы алмаза окутаны частицами графита) до серого (цвет частиц синтетического алмаза).

П р и м е р. Шихту ультрадисперсных алмазов (УДА), просушенную и размолотую до комочков, размеры которых не превышают 1 мм, загружают в сосуды 1 и 6. Количество шихты, загружаемое в сосуд 1, преварительно взвешивают.

Сосуд 6 загружают количеством шихты УДА не менее, чем сосуд 1. Масса шихты в сосуде 6 может быть использована многоократно и через какое-то количество циклов использования может быть отправлена в сосуд 1.

Предварительно любым известным способом должно быть измерено процентное содержание графита в шихте УДА.

Затем шихту в сосудах нагревают до 120-250^оС и наинают продувать через нее озоно-воздушную смесь, поддерживая заданную температуру.

Верхнее значение температуры ограничивается допустимой степенью выгорания алмазоподобных фракций шихты, а нижнее - вялостью течения реакции или необходимостью выжигания примеси в шихте пластических масс.

Время продувки зависит от количества шихты, процентного содержания графита в ней, концентрации озона в смеси и скорости озоно-воздушного потока (подбирается экспериментально и закладывается в основу технологии для конкретного состава шихты в зависимости от характеристик оборудования).

Концентрация озона и скорость озоно-воздушного потока являются конструктивными параметрами устройства, поэтому требования к ним удобнее характеризовать количеством озона, необходимого для осуществления процесса очистки. Например, имеем 1 кг шихты УДА с 10%-ным содержанием графита (т.е. 100 г).

Из реакциии взаимодействия озона с графитом,
2О₃ + С = СО₂ + 2О₂,
видно, что для окисления одного атома графита необходимо на выходе озонатора иметь две молекулы озона. Отсюда, на основании известных соотношений, вычисляем необходимое для окисления 100 г графита количество озона:
12 - 96 X = = 800 (г) ,
100 - Х где 12 - атомная масса графита, участвующего в реакции;
96 - атомная масса озона участвующего в реакции;
100 - количество графита, которое необходимо окислить, в граммах;
Х - требуемое количество озона, в граммах.

Допустим, что концентрация озона на выходе озонатора составляет 20 г/куб.м (это значение находится в зоне оптимального энергетического кпд для производства озона из воздуха). Тогда через шихту УДА необходимо пропустить 800 (г): 20 (г/куб. м) = 40 (куб.м) озоно-воздушной смеси. При скорости пропускания ее через шихту 0,5-1 куб.м в час (такая скорость представляется предельно разумной, так как увеличение скорости потока осложняет задачу фильтрации уносимых из реакционной камеры частиц УДА) весь процесс займет 80-40 ч.

Полные энергетические затраты на производство озона в современных озонаторах составляют примерно 20-25 кВт ч/кг. Отсюда, стоимость энергетических затрат на производство озона для окисления 100 г графита (при цене 4 коп. за 1 кВт ч электроэнергии) составит
20 (кВт ˙ч/кг) 0,8 (кг) 4 (коп/кВт ˙ч) =
= 64 (коп),
В реальном процессе необходимо учесть, что часть озона разрушается с превращением в кислород без участия в окислении графита, поэтому требуемое количество озона будет больше. Коэффициент увеличения зависит от конкретных конструктивных характеристик устройства, в частности от длины трубопровода, соединяющего озонатор и реакционную камеру, его температуры и т.д., и требуемой степени очистки.

По вопросу о степени очистки шихты УДА от графита можно сказать следующее.

Как указано в прототипе, эффективное удаление графита связано с эффективной пропиткой графита окислителем по всему объему (речь идет об обеспечении доступа окислителя к каждой молекуле графита). При использовании водного раствора окислителя остаточное количество графита не превышает 0,4% . "Пропитывающая" же способность окислителя в газовой фазе существенно выше, чем в жидкостной, поэтому степень очистки шихты должна быть не хуже, чем по способу прототипа.

Использование: при изготовлении порошков синтетических алмазов. Изобретение позволит существенно упростить процесс и сделать его экологически чистым за счет того, что при использовании озона в качестве окислителя графита озон может быть приготовлен и утилизирован в едином технологическом процессе. Сущность изобретения: через шихту искусственных алмазов пропускают озоно - воздушную смесь для окисления графита, при этом шихту нагревают до 120 - 400°С. Устройство же, кроме сосуда для размещения шихты и нагревателя, содержит генератор озоно - воздушной смеси и дополнительный сосуд, для размещения шихты, соединенный с первым сосудом и имеющим большее, чем первый сосуд, проходное сечение по газу. Дополнительно устройство снабжено нагревателем дополнительного сосуда. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ удаления примеси неалмазного углерода из шихты искусственных алмазов окислением, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса и повышения его экологической чистоты, окисление ведут пропусканием через шихту озоновоздушной смеси с одновременным нагревом до 120 - 400^oС до полного выгорания неалмазного углерода. 2. Устройство для удаления примеси неалмазного углерода из шихты искусственных алмазов, содержащее сосуд для размещения шихты и нагреватель, отличающееся тем, что, с целью упрощения процесса и повышения его экологической чистоты, оно снабжено генератором озоновоздушной смеси и дополнительным сосудом для размещения шихты, соединенным с первым сосудом и имеющим большее, чем первый сосуд, проходное сечение по газу. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено нагревателем дополнительного сосуда.