СПОСОБ ОЧИСТКИ СИНТЕТИЧЕСКИХ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ АЛМАЗОВ Российский патент 2001 года по МПК C01B31/06 

Изобретение относится к технологии получения и очистки синтетических ультрадисперсных алмазов и может быть использовано для извлечения алмазов из продуктов детонационного синтеза.

Известные способы химической очистки синтетических алмазов основаны на окислительном воздействии растворов, расплавов или газов (Путятин А.А., Никольская И.В., Калашников Я.Н. Химические методы извлечения алмазов из продуктов синтеза. - Сверхтвердые материалы, 1982, N 2, с. 20 - 28). В промышленной практике предпочтение отдается недорогим и доступным окислителям.

Известен способ очистки УДА составами на основе серной, азотной кислот и серного альдегида. Обработка алмазной шихты ведется при 230 - 305^oC при содержании азотной кислоты в окислительном составе 5 - 40 мас.%. Соотношение алмазная шихта : смесь кислот составляет 1 : (25 - 50) (Международная заявка PCT/SU N 90/00169). Основным недостатком способа является использование агрессивных, концентрированных сред, которые при окислении разлагаются с выделением токсичных и активных газов (NO, NO₂, N₂O₅, SO₃, CO). Утилизация и дезактивация отходов технологии требует больших материальных затрат, что ведет к удорожанию продукта очистки - УДА.

Известен способ выделения синтетических ультрадисперсных алмазов (патент России N 2109683), в котором алмазную шихту подвергают двухстадийной обработке водным раствором азотной кислоты сначала 50 - 99% концентрации при 80 - 180^oC, затем 10 - 40% при 220 - 280^oC. Жидкофазное протекание процесса по данному способу обеспечивается повышенным давлением. Недостатком способа является необходимость использования специального кислотоустойчивого химического оборудования, работающего под давлением.

Известен способ очистки алмазов от примесей путем обработки сырья на воздухе в течение 12 - 24 ч при 300 - 550^oC в присутствии 5 - 100 мас.% катализатора - оксида свинца (патент Англии N 1115649). Недостатками способа являются применение высокотоксичных соединений свинца и длительность процесса.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ по патенту России N 2004491. Этот способ заключается в обработке алмазосодержащего сырья на воздухе при 300 - 550^oC в присутствии борного ангидрида, который добавляется в количестве не менее 9 мас.% от содержания в сырье алмазов. Способ включает стадию смешения сырья с раствором борного ангидрида или борной кислоты и последующее высушивание смеси при 210^oC до получения стекловидного борного альдегида. Далее смесь прокаливают на противне в течение 4 - 5 ч при 300 - 550^oC при периодическом перемешивании и охлаждают, обрабатывают разбавленной соляной кислотой и дистиллированной водой. При этом выход алмазов составляет 72 - 94%. Многостадийность процесса очистки - смешение с соединениями бора в воде, высушивание, прокаливание с перемешиванием и последующие операции удаления остатков борных соединений делают способ малопроизводительным и бесперспективным для промышленного применения. Кроме того, используемые в прототипе оксид бора или борная кислота оказывают токсичное действие на организм человека (предельно допустимые концентрации 5 и 10 мг/м³ соответственно), что ухудшает условия труда.

Задачей заявляемого изобретения является создание способа очистки синтетического ультрадисперсного алмаза от неалмазного углерода без использования токсичных сред при сохранении качества очистки.

Поставленная задача решается предлагаемым способом очистки синтетического ультрадисперсного алмаза от неалмазного углерода, который заключается в термоокислении алмазной шихты на воздухе при 380 - 440^oC в слое, обеспечивающем необходимые условия теплоотвода и исключающем выгорание алмаза, со скоростью 2,5 - 10,0 град. /мин с последующей изотермической выдержкой в течение 2 - 4 ч.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом показывает, что оно отличается от последнего иным тепловым режимом осуществления способа, исключением из процесса химических добавок, иной длительностью процесса, т. е. данное техническое решение соответствует критерию "новизна".

В процессе очистки синтетического ультрадисперсного алмаза от углеродных примесей не используются соединения свинца, бора или иных катализаторов, что позволяет исключить стадии смещения, обработки, сушки, выделения. В соответствии с изобретением окисление углеродных примесей проводят в одну стадию в атмосфере воздуха, причем нагрев осуществляется в строго контролируемом режиме, обеспечивающем стационарность процесса. Условию стационарности отвечает такая скорость нагревания окисляемого материала, при которой удается разделить последовательные поверхностные реакции. Детонационная алмазная шихта состоит из углеродных форм различной структуры от аморфных и карбиноподобных до наноразмерных кристаллов алмаза. Часть алмазных частиц заключена в квазисферические углеродные оболочки, представляющие собой переходные углеродные структуры.

Предлагаемый способ основывается на различии термоокислительных свойств алмазной и неалмазных фаз углерода и учитывает особенности механизмов окисления кристаллической и аморфных структур. Заявляемый режим окисления алмазной шихты позволяет контролировать удельную скорость окисления неалмазного углерода, при этом на начальной стадии с ростом температуры поэтапно окисляются наиболее активные углеродные формы. Этот процесс сопровождается активацией переходных слоев поверхности алмазных частиц. Изотермическое окисление в течение 2 - 4 ч завершает процесс газификации неалмазных фаз.

Для наилучшей реализации способа алмазную шихту необходимо окислять в слое, обеспечивающем необходимые условия теплоотвода и исключающем выгорание алмаза. Повышение температуры окисления свыше 440^oC приведет к потере алмаза более 20%. Увеличение скорости нагрева свыше 10 град./мин нарушает стационарный режим окисления, инициируя вспышки и возгорание шихты. Окисление при температурах ниже 380^oC или увеличение скорости нагрева меньше 2,5 град./мин увеличивает время очистки до 9 ч, что ведет к снижению технологичности процесcа.

Таким образом, предлагаемый способ очистки синтетических ультрадисперсных алмазов от неалмазного углерода с заявляемой в нем совокупностью признаков позволяет достичь технический результат - очистку синтетических УДА от неалмазного углерода без использования токсичных сред при сохранении качества очистки. Такое выполнение способа из уровня техники явным образом не вытекает и не было очевидным для специалистов, а имеющиеся отличия непосредственно влияют на решение поставленной задачи. Это дает основание считать данное техническое решение обладающим изобретательским уровнем.

Способ не вызовет затруднений при его промышленной реализации, так как описанные приемы и устройства для его осуществления легко воспроизвести. Необходимость же в применении способа очистки синтетических ультрадисперсных от неалмазного углерода, позволяющего получить высококачественный продукт без использования токсичных сред, не вызывает сомнений, а значит предложение обладает промышленной применимостью.

Пример 1. 100 г алмазной шихты, содержащей алмаз (40,2 мас.%), неалмазный углерод и металлические примеси, размещают слоем, обеспечивающим необходимые условия теплоотвода и исключающим выгорание алмаза, на противне электропечи и нагревают со скоростью 2,5 град./мин до 410^oC. После чего указанную температуру поддерживают в интервале (410 ± 10)^oC в течение 4 ч. Выход алмаза составляет 38,5 г. Содержание остаточного неалмазного углерода 0,2% (по данным рентгеноструктурного анализа).

Пример 2. 100 г алмазной шихты (содержание УДА - 39,5 мас.%) слоем, обеспечивающим необходимые условия теплоотвода и исключающие выгорание алмаза, распределяют на противне электропечи и нагревают со скоростью 10 град. /мин до 430^oC. После чего указанную температуру поддерживают в интервале (430 ± 10)^oC в течение 2 ч. Выход алмаза составляет 38,7 г. Содержание остаточного неалмазного углерода 0,1% (по данным рентгеноструктурного анализа).

Пример 3. 100 г детонационной алмазной шихты (содержание УДА - 42,5 мас. %) слоем, обеспечивающим необходимые условия теплоотвода и исключающим выгорание алмаза, распределяют на противне электропечи и нагревают со скоростью 5 град./мин до 380^oC. Указанную температуру стабилизируют в интервале (380 ± 20)^oC в течение 4 ч. Выход алмаза составляет 39,1 г. Содержание неалмазного углерода 0,8% (по данным рентгеноструктурного анализа).

Изобретение может быть использовано при извлечении алмазов из продукта детонационного синтеза. 100 г алмазной шихты, содержащей около 40 мас.% алмаза, остальное - неалмазный углерод и металлические примеси, размещают на противне электропечи. Нагревают до 380-440^oС со скоростью 2,5-10,0 град. /мин. Выдерживают при максимальной температуре 2-4 ч. Выход алмаза 38,5 - 39,1 мас. %, содержание неалмазного углерода 0,1 - 0,8 мас.%. Способ прост, не требует применения токсичных сред.

Способ очистки синтетических ультрадисперсных алмазов от неалмазного углерода путем термоокисления на воздухе при 380 - 440^oC, отличающийся тем, что термоокисление алмазной шихты осуществляют со скоростью 2,5 - 10,0 град. /мин с последующей изотермической выдержкой в течение 2 - 4 ч.