СПОСОБ КОМПАКТИРОВАНИЯ И ОЧИСТКИ АМОРФНОГО МЫШЬЯКА Российский патент 2001 года по МПК C22B30/04 B22F3/00 

Описание патента на изобретение RU2170279C2

Предлагаемое изобретение относится к областям уничтожения химического оружия, порошковой металлургии и посвящено компактированию и очистке технического мышьяка, получаемого в ходе детоксикации люизита и адамсита.

Одним из способов уничтожения мышьяксодержащих боевых отравляющих веществ, таких как люизит и адамсит, является их восстановление аммиаком (аммонолиз). Основным продуктом этого процесса является аморфный мышьяк. Этот мелкодисперсный порошок, отделенный от остальных продуктов детоксикации, содержит большие количества воды, углерода и органических веществ. Концентрация углерода и органических веществ в мышьяке достигает 1,0 мас.%, а влага содержится в таком количестве, что порошок становится несыпучим и комкуется. Удаление влаги даже при сушке порошка в вакууме не решает проблему. При взаимодействии кислорода воздуха с сырым или с сухим мышьяком образуются либо мышьяковые кислоты, либо оксиды. Все это делает аморфный мышьяк, получаемый при уничтожении люизита и адамсита, малопригодным для длительного хранения и практического использования.

Основной путь устранения указанных недостатков и улучшения потребительских свойств продукта заключается в переводе мышьяка из аморфного состояния в компактную, кристаллическую форму (компактирование).

Известен способ компактирования аморфного мышьяка путем его плавления [1]. Плавку мышьяка осуществляют в кварцевых ампулах в атмосфере собственных паров при давлении 36 атм и температуре 818oC. При этих условиях аморфный порошок превращается в расплав, который при последующем охлаждении затвердевает в виде монолитного слитка мышьяка, имеющего поликристаллическую структуру. Этот способ не обеспечивает очистки мышьяка от сопутствующих примесей и осуществляется при высоких температуре и давлении, что относится к основным его недостаткам.

Известен способ компактирования и очистки аморфного мышьяка путем его сублимации в потоке инертного газа [2] или в вакууме. Для этого аморфный мышьяк загружают в кварцевую ампулу с двумя температурными зонами: 500-600oC для испарения мышьяка и 400-450oC для его конденсации. Температура процесса сублимации мышьяка в потоке инертного газа ~ на 50-100oC выше, чем при проведении в вакууме. Процесс компактирования осуществляют при постоянной откачке ампулы форвакуумным насосом или подаче потока инертного газа. В зоне конденсации мышьяк осаждается на стенках ампулы в поликристаллическом состоянии. Одновременно в ходе сублимации мышьяк очищается от некоторых примесей, которые отличаются от него по летучести.

Этот известный способ компактирования и очистки аморфного мышьяка выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения как наиболее близкий к нему по назначению и технической сущности.

Качество мышьяка, получаемого по прототипу, сильно зависит от скорости и условий его сублимации: чем выше температура зоны испарения мышьяка, тем выше скорость сублимации мышьяка, но образуются мелкие, плохо сформировавшиеся кристаллы, поскольку массовая конденсация (кристаллизация) мышьяка начинается уже в паровой фазе. В результате этого аморфный порошок лишь превращается в мелкокристаллическую форму, то есть задача компактирования не решается. При малой скорости сублимации мышьяка, то есть небольшом перепаде температур между зонами испарения и конденсации, образуются крупные, хорошо сформировавшиеся кристаллы, но процесс характеризуется малой производительностью. Поэтому малая скорость процесса, большая его продолжительность и низкая производительность являются характерными недостатками известного способа.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности и упрощение процесса получения компактного кристаллического мышьяка.

Поставленная задача решается тем, что (в отличие от известного способа компактирования и очистки аморфного мышьяка путем его сублимации в потоке инертного газа или в вакууме) кристаллизацию аморфного мышьяка осуществляют при давлении 1500-2000 кгс/см2 в два этапа: при 300- 350oC в течение 15-30 мин на первом этапе и при 450-500oC в течение 15-30 мин на втором этапе. Предварительно из аморфного мышьяка при комнатной температуре и давлении 130-1500 кгс/см2 прессуется блок необходимой массы.

Компактирование и очистку аморфного мышьяка осуществляют в следующем порядке. Сначала аморфный мышьяк при комнатной температуре загружается в матрицу из нержавеющей стали и сдавливается пуансоном до давления 130-1500 кгс/см2. На этой стадии из мышьяка отжимаются излишки влаги, образуется полусухой, механически прочный блок плотностью 2,5-3,0 г/см3, являющийся заготовкой будущего компактного кристаллического образца.

Затем с блока снимается давление, и его быстро нагревают до 300-350oC. Спрессованный блок мышьяка нагревается вместе с матрицей и пуансоном с помощью нагревателя резистивного типа. При нагреве блока мышьяка до 350oC из него испаряются остатки влаги и десорбируются органические вещества, то есть происходит его очистка от указанных примесей.

На второй стадии нагретый во время сушки до 300-350oC блок аморфного мышьяка нагружают до давления 1500-2000 кгс/см2 и выдерживают в течение 15-30 мин. При этом отдельные аморфные частицы мышьяка спекаются друг с другом и уплотняются до плотности 4-4,5 г/см3. Затем блок быстро нагревают до 450-500oC и выдерживают при этой температуре 15-30 мин. В блоке происходит кристаллизация мышьяка и образование компактного, монолитного образца. Плотность образца достигает 5,5- 5,7 г/см3, приближающегося к табличному значению для металлического мышьяка 5,73 г/см3.

Процесс быстрой кристаллизации аморфного мышьяка объясняется тем, что в условиях высокого давления на спекшиеся аморфные частицы мышьяка при температуре 450-500oC происходит их массовая кристаллизация, а так как давление собственных паров мышьяка в этих условиях достигает 10-50 мм рт. ст., одновременно протекает и перекристаллизация в более крупные образования. Растущие кристаллы вытесняют из массы мышьяка примесь углерода, которая концентрируется на краях блока. Эти края, состоящие, в основном, из углерода, сохраняют рыхлую аморфную структуру и легко осыпаются при механическом воздействии. Основная часть блока представляет собой поликристаллический монолит с характерным металлическим блеском. Поликристаллическая структура полученного мышьяка подтверждается результатами рентгеноструктурного анализа образца. Существенным является то, что кристаллизация и перекристаллизация частиц мышьяка в условиях высоких давления и температуры происходят независимо от размеров блока, т. е. блок мышьяка может иметь большие размеры и достигать массы в десятки килограммов.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает компактирование аморфного мышьяка и его очистку от воды, органических веществ и углерода и увеличение производительности процесса компактирования.

Существенными признаками предлагаемого изобретения являются прессование аморфного мышьяка в блок при давлении 130-1500 кгс/см2 при комнатной температуре, нагрев его до температуры 300-350oC без давления, а затем выдержка образца при давлении 1500-2000 кгс/см2 сначала при температуре 300-350oC в течение 15-30 мин, и далее при температуре 450-500oC еще 15-30 мин. Если давление при формировании блока аморфного мышьяка меньше 130 кгс/см2, то монолитного образца из него в дальнейшем не получается. Создавать давление при формировании блока выше 1500 кгс/см2 не имеет смысла, поскольку при этом не улучшается качество получаемого компактного образца. Использование давления меньше 1500 кгс/см2 при компактировании и кристаллизации мышьяка (температура 300-500oC) не приводит к получению монолитного поликристаллического блока с плотностью 5,5-5,7 г/см3; при меньшем давлении образуется неоднородный мелкокристаллический блок с плотностью ниже 5,5 кг/см3. Кристаллизация мышьяка при давлении выше 2000 кгс/см2 (температура 300-500oC) не приводит к улучшению качества образца, и поэтому не имеет смысла. Прессование мышьяка осуществляют в двух температурных интервалах: при 300-350oC на первом этапе и при 450-500oC - на втором. Если блок сразу нагреть до 450-500oC, то вместе с парами воды и других примесей мышьяк частично сублимирует и улетает из зоны кристаллизации, что приводит к потерям продукта. Спекание аморфных частиц мышьяка и удаление из него воды и органических примесей достигается на первом этапе компактирования при температуре 300-350oC. При нагреве блока аморфного мышьяка ниже 300oC примеси из него удаляются не полностью. При температуре первого этапа выше 350oC еще не спекшийся мышьяк частично сублимирует. Продолжительность выдержки образца на первом этапе составляет 15-30 мин. Этого времени достаточно для испарения и десорбции воды и органических примесей. Если время выдержки меньше 15 мин, то указанные примеси частично остаются в образце и загрязняют получаемый продукт. Выдержка блока при температуре 300-350oC свыше 30 мин не имеет смысла, поскольку удаление примесей уже полностью завершено, и дальнейший нагрев не улучшает качества получаемого продукта.

Кристаллизация мышьяка и удаление из него примеси углерода достигается на втором этапе нагрева блока до 450-500oC. При температуре ниже 450oC процесс кристаллизации и перекристаллизации зерен мышьяка, а также вытеснения углерода на границы зерен протекает с очень низкой скоростью, и образец сохраняет псевдокристаллическую структуру. Температура выше 500oC не имеет смысла, поскольку не улучшает качества компактного образца. Продолжительность нагрева на втором этапе, так же как и на первом, составляет 15-30 мин. Этого времени достаточно для завершения процесса кристаллизации мышьяка и вытеснения из него примеси углерода. При меньшем времени нагрева (< 15 мин) эти процессы остаются незавершенными.

Осуществление кристаллизации аморфного мышьяка путем его прессования в блок при давлении 1500-2000 кгс/см2 с двухэтапным ступенчатым нагревом в течение 15-30 мин при температуре 300-350oC на первом этапе и 450-500oC - на втором являются существенными признаками предлагаемого изобретения, которые в совокупности обеспечивают достижение поставленной цели: упрощение и повышение производительности процесса компактирования и очистки аморфного мышьяка.

Перечисленные признаки не известны из открытых источников научно-технической информации и являются новыми.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает компактирование аморфного мышьяка в монолитный кристаллический образец, при этом упрощается процесс получения и повышается его производительность.

Источники информации
1. Рцхиладзе В.Г. Мышьяк. М.: Металлургия, 1969.

2. В.А. Федоров, А.А. Ефремов, Э.Г. Жуков и др. Получение мышьяка особой чистоты из продуктов детоксикации люизита. Ж. Российского химического общества. 1995. Т.39. С.46-57.

Похожие патенты RU2170279C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ УНИЧТОЖЕНИЯ БОЕПРИПАСОВ С ИСТЕКШИМ СРОКОМ ХРАНЕНИЯ И ДЕГРАДИРОВАВШИМИ ЗАРЯДАМИ ОТРАВЛЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ КОЖНО-НАРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ 1999
  • Зорин А.Д.
  • Каратаев Е.Н.
  • Кутьин А.М.
  • Степанова Л.В.
  • Кучинский Е.В.
  • Гормай В.В.
  • Капашин В.П.
  • Холстов В.И.
  • Анастасов А.Д.
RU2169599C2
СПОСОБ УНИЧТОЖЕНИЯ ЛЮИЗИТА 1994
  • Кунцевич А.Д.
  • Железнов И.Г.
  • Зорин А.Д.
  • Каратаев Е.Н.
  • Климов К.Н.
  • Кутьин А.М.
  • Лазукин В.Ф.
  • Гатилов М.Ю.
  • Новоторов Ю.Н.
  • Кочергин А.И.
RU2096057C1
СПОСОБ УНИЧТОЖЕНИЯ ЛЮИЗИТА 1996
  • Циновой Ю.Н.
  • Зорин А.Д.
  • Климов К.Н.
  • Кутьин А.М.
  • Турчин А.В.
RU2106168C1
СПОСОБ ОЧИСТКИ ЛЮИЗИТА 1992
  • Зорин А.Д.
  • Занозина В.Ф.
  • Сиднев В.Ш.
  • Емельянова О.А.
  • Маркова М.Л.
  • Гаязова И.Н.
  • Фещенко И.А.
  • Циновой Ю.Н.
RU2111034C1
СПОСОБ УНИЧТОЖЕНИЯ ИПРИТА 1997
  • Зорин А.Д.
  • Каратаев Е.Н.
  • Кутьин А.М.
  • Степанова Л.В.
  • Косяк А.М.
  • Кучинский Е.В.
  • Гормай В.В.
  • Сафронов В.В.
  • Поторопи Е.Б.
RU2169598C2
СПОСОБ УНИЧТОЖЕНИЯ ЛЮИЗИТА 1992
  • Зорин А.Д.
  • Фещенко И.А.
  • Кутьин А.М.
  • Климов К.Н.
  • Каратаев Е.Н.
  • Циновой Ю.Н.
  • Занозина В.Ф.
  • Емельянов А.А.
RU2116811C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДА МЫШЬЯКА 1992
  • Балашов С.И.
  • Гудков М.М.
  • Железнов И.Г.
  • Емельянов А.А.
  • Занозина В.Ф.
  • Зорин А.Д.
  • Климов К.Н.
  • Кутьин А.М.
  • Новиков В.К.
  • Панферов В.И.
  • Фещенко И.А.
  • Циновой Ю.Н.
RU2046758C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДА УРАНА 1991
  • Леонов М.Р.
  • Багров А.М.
RU2019514C1
СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЫШЬЯКА ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ 1998
  • Зорин А.Д.
  • Абражеев Р.В.
RU2152357C1
СПОСОБ ОЧИСТКИ АЛКИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НЕПЕРЕХОДНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ II - VI ГРУПП ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОТ ПРИМЕСИ ГАЛОИДНОГО АЛКИЛА РЕКТИФИКАЦИЕЙ И РЕКТИФИКАЦИОННАЯ КОЛОННА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1996
  • Фещенко И.А.
  • Циновой Ю.Н.
  • Сидоров Ю.В.
  • Молянов А.Н.
  • Емельянов А.А.
RU2111968C1

Реферат патента 2001 года СПОСОБ КОМПАКТИРОВАНИЯ И ОЧИСТКИ АМОРФНОГО МЫШЬЯКА

Изобретение относится к порошковой металлургии и уничтожению химического оружия, в частности путем компактирования и очистки технического мышьяка, получаемого в ходе детоксикации люизита и адамита. Способ заключается в том, что кристаллизацию осуществляют прессованием аморфного мышьяка в блок при давлении 130-2000 кгс/см2 с поэтапным ступенчатым нагревом его от комнатной температуры 500°С с выдержкой при 300 - 350°С в течение 15 - 30 мин на первом этапе и 450 - 500°С в течение 15 - 30 мин на втором этапе. Способ позволяет повысить производительность и упростить процесс получения компактного кристаллического мышьяка.

Формула изобретения RU 2 170 279 C2

Способ компактирования и очистки аморфного мышьяка путем его кристаллизации, отличающийся тем, что кристаллизацию осуществляют прессованием аморфного мышьяка в блок при давлении 130 - 2000 кгс/см2 с поэтапным ступенчатым нагревом его от комнатной температуры до 500°С: с выдержкой при 300 - 350°С в течение 15 - 30 мин на первом этапе и 450 - 500°С в течение 15 - 30 мин на втором этапе.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2001 года RU2170279C2

В.А
ФЕДОРОВ и др
Получение мышьяка особой чистоты из продуктов детоксикации люизита
Журнал Российского химического общества, 1995, т
Машина для изготовления проволочных гвоздей 1922
  • Хмар Д.Г.
SU39A1
Способ изготовления звездочек для французской бороны-катка 1922
  • Тарасов К.Ф.
SU46A1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЫШЬЯКА ОСОБОЙ ЧИСТОТЫ 1991
  • Гринберг Е.Е.
  • Хангажеев С.Х.
  • Ноздря С.М.
  • Ефремов А.А.
  • Белолипецкий В.П.
  • Мирсков Р.Г.
  • Воронков М.Г.
  • Кунцевич А.Д.
RU2050318C1
ПНЕВМАТИЧЕСКАЯ ШЛИФОВАЛЬНАЯ МАШИНКА 0
SU180110A1
DE 2853516 А1, 28.06.1979
US 5545800 A, 13.08.1996.

RU 2 170 279 C2

Авторы

Зорин А.Д.

Каратаев Е.Н.

Степанова Л.В.

Сидоров Ю.В.

Сиднев В.И.

Косяк А.М.

Капашин В.П.

Холстов В.И.

Анастасов А.Д.

Даты

2001-07-10Публикация

1999-05-20Подача