СПОСОБ ОЧИСТКИ ПРОДУКТОВ СИНТЕЗА АЛМАЗОВ С ИЗВЛЕЧЕНИЕМ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО НИКЕЛЯ И МАРГАНЦА Российский патент 2007 года по МПК C01B31/06 C25C1/06 

Описание патента на изобретение RU2294313C1

Изобретение относится к электрохимическому выделению металлов из материалов сложного состава, в частности к способу очистки продуктов синтеза алмазов, и может быть использовано на предприятиях алмазного инструмента для производства синтетических алмазов.

Синтетические алмазные порошки широко применяются при изготовлении абразивного инструмента и паст, медицинского инструмента, при получении электролитических композиционных покрытий, в производстве резинотехнических изделий, в электронной промышленности и т.д.

Процесс синтеза алмазов осуществляется из графита при высоких температурах и давлениях в присутствии в качестве катализатора металлического сплава, в частности сплава, содержащего 40% Ni и 60% Mn. Исходная шихта для проведения синтеза имеет состав: 50% графита, 50% сплава Ni-Mn. При синтезе 40-50% графита превращается в алмаз. Реакционный спек - продукт синтеза алмазов (ПСА) - обычно содержит: 20-25% алмаза, 20% Ni, 30% Mn и остальное - неперекристаллизовавшийся графит. Окончательной и наиболее сложной стадией в процессе получения алмазов является их очистка, что считается сдерживающим фактором роста объема производства синтетических алмазных порошков.

Для очистки алмазов от углерод- и металлических примесей применяются различные физические и химические методы, которые детально описаны в научно-технической литературе [см., например, Муханов В.А. Совершенствование способов выделения алмазов из различных алмазосодержащих материалов. Сверхтвердые материалы. 2003, №4, стр.16-26; Верещагин А.Л., Ларионова И.С. Очистка алмазов / Ползуновский альманах, №3, 1999); Исаев Р.Н. Способы извлечения алмазов из различных материалов и методы их очистки. Сверхтвердые материалы, 1989, №2, стр.30-34]. Спек дробят и измельчают до крупности - 2-0,8 мм, металлические примеси выщелачивают минеральными кислотами и их смесями, затем основную часть графита удаляют механическими, в частности гравитационными методами. На завершающей стадии для очистки алмазного порошка от остаточного графита его обрабатывают различными окислителями, преимущественно хромовой смесью (раствор хромового ангидрида или бихромата калия в концентрированной серной кислоте). При необходимости полученный продукт подвергают более тонкой очистке от кремния и его соединений с применением фторсодержащих реагентов.

Наиболее дорогостоящим звеном очистки синтетических алмазов является химическая стадия выщелачивания металлов кислотными растворами. Она связана со значительным расходом кислотных реагентов, существенными экологическими нагрузками на окружающую среду и с безвозвратными потерями всего никеля и марганца с отходящими кислотными растворами. Существующие способы, применяемые при очистке синтетических алмазных порошков, не позволяют решить данную проблему.

В некоторых работах сделаны попытки извлечения никеля и марганца из сернокислых растворов методом электродиализа [см., например, Левин А.М., Брюквин В.А., Вользон Л.М., Ануфриева Г.И. Извлечения никеля и марганца из сернокислых растворов методом мембранного электродиализа. «Цветные металлы», 2000, №2, стр.41-44; Богатырева Г.П., Маринич М.А., Базалий Г.А. Выделение никеля из растворов после извлечения сверхтвердых материалов. «Сверхтвердые материалы, 1984, №3, стр.11-14]. Однако эти разработки не обеспечивают необходимую степень извлечения металлов, а также регенерацию используемого кислотного реагента.

Известен процесс электрохимического выщелачивания ПСА с переводом металлов в растворы [см. Дроздович В.Б., Курило И.И. Исследование химического и электрохимического разложения металлуглеродных спеков синтеза алмазов. Порошковая металлургия (Республиканский межведомственный сборник научных трудов - Белорусия), выпуск 21, 1998 г., стр.34-37]. В этой работе показаны возможные процессы при электрохимическом разложении ПСА и целесообразность использования для этой цели растворов серной и соляной кислот. Работа носит показательный характер и в ней не приводятся технологические показатели по извлечению и другим важным параметрам процесса.

Наиболее близким техническим решением является процесс электрохимической обработки продукта синтеза алмазов с катодньм осаждением металлов [см., например, Богатырева Г.П., Маринич М.А., Базалий Г.А. Исследование влияния природы металлов растворителей на кинетику электрохимического растворения продукта синтеза алмазов. Сверхтвердые материалы, 1999, №1, стр.59-65]. Процесс основан на анодном растворении металлов из ПСА в солянокислом или сернокислом электролите в области температур 40-60°С в электролизере, в котором происходит одновременное выделение металлов на катоде. К недостаткам этого процесса относятся низкое извлечение марганца из-за повышенной температуры и сильной кислотности электролита, незамкнутость цикла из-за накопления в электролите марганца и, как следствие этого, необходимость утилизации отработанного электролита после каждого цикла.

Предлагаемый способ позволяет практически полностью устранить указанные недостатки. Это достигается применением электрохимической обработки ПСА в мембранном электролизере с циркуляцией католита (электролита катодной камеры). Как и в прототипе, в качестве электролита используются сернокислые, солянокислые растворы либо их смеси. Концентрация никеля и марганца в электролитах изменяется в ходе процесса в зависимости от рН растворов. Предлагаемый способ позволяет количественно извлекать никель и марганец из ПСА в виде металла с одновременным получением графит-алмазного продукта, пригодного для дальнейшей переработки по известной технологической схеме.

Определяющими факторами процесса электрохимической обработки ПСА в мембранном электролизере с циркуляцией католита являются рН католита, температура процесса, катодная плотность тока, содержание в электролите (католите) сульфата аммония.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что электрохимическая обработка ПСА в мембранном электролизере с циркуляцией католита позволяет совместить три процесса в едином цикле: 1 - окисление в анодной камере под влиянием анодного тока никеля и марганца из ПСА с переходом их в раствор. В случае использования сернокислого электролита происходит также частичное окисление графита до углекислого газа; 2 - переход под влиянием катодного тока ионов марганца и никеля через катионитовую мембрану из анодной камеры в катодную и их осаждение на катоде, преимущественно никеля, как более пассивного металла в сравнении с марганцем. Постоянная подпитка католита ионами Ni2+ из анодной камеры сильно ограничивает разряд ионов марганца на катоде, в результате католит постепенно насыщается ионами Mn2+ и рН электролита повышается; 3 - переведение католита в другой электролизер, где на катоде осаждается марганец с остаточным никелем, в результате чего происходит снижение рН электролита и возвращение католита из второго электролизера в первый путем циркуляции раствора, что позволяет поддерживать рН на необходимом уровне.

После полного растворения металлов из анодной камеры выгружается остаток, представляющий собой смесь алмаза с графитом. Остаток фильтруется, промывается водой и отправляется на переработку с получением алмазного порошка по известней схеме. Маточный раствор с промывными водами возвращается в анодную камеру для повторного использования. Выделенные на катодах металлы снимают, промывают, сушат и в качестве товарного продукта (после предварительной подготовки) используют в процессе синтеза синтетических алмазов. Католит без каких-либо дополнительных операций используется в следующем цикле. В результате образуется экологически чистый безотходный замкнутый цикл, позволяющий извлекать алмазы из ПСА при одновременном извлечении металлов-катализаторов.

В предлагаемом способе в качестве электролита используются солянокислые, сернокислые растворы и или их смеси. рН католита оказывает очень сильное влияние на осаждение металлов, особенно на осаждение марганца. В кислых и слабокислых растворах облегчается выделение водорода. Только при рН 2 начинается осаждение металлического марганца на катоде. С повышением значения рН выход по току марганца увеличивается. Однако при высоких значениях рН (5-8,5) образуются гидрооксиды и основные соли марганца и никеля. Для предотвращения образования гидрооксида марганца и никеля в электролит вводят сульфат аммония в количестве 50-175 г/л, более предпочтительно 100-150 г/л, как принято при электролитическом получении марганца. При нехватке ионов NH4+ происходит связывание ионов марганца у катода в Mn(OH)2, a при большом избытке - выделяется водород, так как ионы аммония являются источником водорода, и выход по току марганца снижается. В предложенном способе оптимальными значениями рН циркулирующего католита являются: при выходе из первого электролизера - 3-8,5, более предпочтительно - 5-7,5, а при возврате - 2-7, более предпочтительно - 2,5-5.

Температура электролита поддерживается на уровне 20-35°С, более предпочтительно 25-30°С. Повышение температуры способствует резкому усилению выделения водорода, и соответственно подавлению катодного осаждения марганца. А при более низких температурах существенно замедляются процессы как растворения металлов из ПСА в анодной камере, так и разряда ионов марганца и никеля на катоде вследствие ухудшения кинетических условий.

В предлагаемом способе продолжительность процесса в основном зависит от катодной плотности тока. Процесс в мембранном электролизере ведут при катодной плотности тока 2-30 А/дм2, более предпочтительно в первом электролизере, где происходит в основном осаждение никеля, - 2-15 А/дм2, а во втором электролизере, где происходит осаждение марганца с остаточным никелем - 15-30 А/дм2. При меньших значениях плотности тока сильно ограничивается катодное осаждение металлов, а при высоких значениях - усиливается выделение водорода, в результате чего уменьшается выход по току металлов. Оптимальная продолжительность процесса при указанных значениях катодной плотности тока колеблется в интервале 8-15 час. После завершения процесса суммарное содержание никеля и марганца в графит-алмазном продукте уменьшается до 0,5-2,0%. При этом степень извлечения металлов из ПСА достигает 98-99,5%.

Дальнейшая очистка освобожденного от металлических примесей продукта синтеза с получением алмазного порошка осуществляется по стандартной схеме: гравитационное обогащение с удалением большей части графита, а затем тонкая химическая очистка путем обработки в хромовой смеси.

Основные результаты, достигаемые при электрохимической обработке ПСА с извлечением алмазов и одновременным получением металлов-катализаторов по предлагаемому способу, приведены в таблице.

Приводимые ниже примеры иллюстрируют возможности предлагаемого способа (эти примеры в таблице выделены жирным шрифтом; индексы 1-6 у номеров опыта означают соответственно номера примеров).

Пример 1. Навеску ПСА весом 100 г помещали в анодную камеру мембранного электролизера и подвергали в сернокислой среде электрохимической обработке при температуре 25°С в течение 15 час с циркуляцией католита через другой электролизер. Катодная плотность тока в первом электролизере составила 2 А/дм2, а во втором электролизере 15 А/дм2. рН циркулируемого католита, содержащего 100 г/л (NH4)2SO4, при выходе из первого электролизера подерживался на уровне 6,5, а при возврате - на уровне 4,0. Получено 46,4 г графит-алмазного продукта, содержащего 1,13% металла. Извлечение никеля и марганца из ПСА составило 91,4%.

Пример 2. Навеску ПСА обрабатывали при температуре 30°С в течение 12 час в мембранном электролизере по вышеуказанной методике. Катодная плотность тока в первом электролизере - 5,0, во втором - 20,0 А/дм2. Содержание (NH4)2SO4 в электролите 125 г/л. рН католита при выходе из первого электролизера - 5,0, а при возврате - 2,5. Масса полученного графит-алмазного продукта составила 50,5 г, а металлического никеля и марганца - 48,1 г. Извлечение металлов из ПСА - 96,2%.

Пример 3. Опыт проводили в сернокислой среде в следующем режиме: температура - 30°С, продолжительность - 10 час, катодная плотность тока в первом электролизере - 10,0 А/дм2, а во втором - 25 А/дм2, содержание (NH4)2SO4 в электролите 150 г/л, рН католита при выходе из первого электролизера - 7,5, а при возврате - 5,0. При этом достигнута степень извлечения металлов из ПСА 98,8%.

Пример 4. Состав электролита и температура процесса как в примере 3. Катодная плотность тока в первом и втором электролизерах - 15,0 и 30,0 А/дм2, рН католита при выхода и возврате 7,0 и 3,5, соответственно. Продолжительность опыта 8 час. В результате получено 48,7 г графит-алмазного продукта при степени извлечения металлов 99,5%.

Пример 5. Был использован солянокислый электролит. Опыт проводили в таком же режиме, как в примере 3. Выход графит-алмазного продукта составил 50,2 г, а металлов 48,9 г. Степень извлечения металлов из ПСА - 97,8%.

Пример 6. Опыт проводили в смешанном электролите - сернокислый: солянокислый = 1:1. Содержание (NH4)2SO4 в электролите - 100 г/л. Параметры процесса аналогичны параметрам, приведенным в примере 4. Выход графит-алмазного продукта и металлов из ПСА 48,5 г и 49,1 г., соответственно. Извлечение металлов - 98,2%.

Главные преимущества предлагаемого способа заключаются в том, что процессы очистки ПСА от металлических примесей марганца и никеля и извлечение этих металлов происходят одновременно в замкнутом по растворам экологически чистом едином цикле. Благодаря регенерации используемых в синтезе металлов-катализаторов, особенно дорогостоящего никеля, и устранению образования отходящих кислотных растворов в процессе очистки ПСА, использование предлагаемого способа позволит существенно увеличить объем производства синтетических алмазных порошков без экологической нагрузки на окружающую среду.

Похожие патенты RU2294313C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ НИКЕЛЯ ИЗ ОТРАБОТАННЫХ КОНЦЕНТРИРОВАННЫХ РАСТВОРОВ ХИМИЧЕСКОГО И ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО НИКЕЛИРОВАНИЯ 1992
  • Акопян Э.М.
  • Гордеев А.И.
  • Чижанова С.И.
  • Милова Т.Е.
  • Караваев Н.М.
RU2033480C1
Способ получения композиционного металл-дисперсного покрытия, дисперсная система для осаждения композиционного металл-дисперсного покрытия и способ ее получения 2020
  • Есаулов Сергей Константинович
  • Кукушкин Сергей Сергеевич
  • Светлов Геннадий Валентинович
  • Есаулова Целина Вацлавовна
RU2746861C1
Способ получения композиционного металл-алмазного покрытия на поверхности медицинского изделия, дисперсная система для осаждения металл-алмазного покрытия и способ ее получения 2020
  • Есаулов Сергей Константинович
  • Есаулова Целина Вацлавовна
  • Миняева Елена Владимировна
RU2746730C1
Способ получения композиционного металл-дисперсного покрытия, дисперсная система для осаждения композиционного металл-дисперсного покрытия и способ ее получения 2020
  • Есаулов Сергей Константинович
  • Есаулова Целина Вацлавовна
RU2746863C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ЦИНКА 2013
  • Глущенко Валерий Станиславович
RU2558327C2
Композиционное металл-алмазное покрытие, способ его получения, дисперсная система для осаждения композиционного металл-алмазного покрытия и способ ее получения 2019
  • Есаулов Сергей Константинович
  • Кукушкин Сергей Сергеевич
  • Рыжов Евгений Васильевич
  • Светлов Геннадий Валентинович
RU2706931C1
СПОСОБ ОЧИСТКИ СИНТЕТИЧЕСКИХ АЛМАЗНЫХ ПОРОШКОВ ОТ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ПРИМЕСЕЙ 2006
  • Садыхов Гусейнгулу Бахлул Оглы
RU2304081C1
Способ изготовления титан-двуокисномарганцевого анода 1989
  • Байрачный Борис Иванович
  • Скорикова Виктория Николаевна
SU1703713A1
Способ электроокисления ионов церия (III) 2018
  • Юрасова Ольга Викторовна
  • Гасанов Ахмедали Амиралы Оглы
  • Василенко Сергей Александрович
  • Харламова Татьяна Андреевна
  • Блитман Михаил Петрович
  • Левачева Мария Александровна
RU2673809C1
Композиционное металл-алмазное покрытие, способ его получения, алмазосодержащая добавка электролита и способ ее получения 2018
  • Есаулов Сергей Константинович
  • Кукушкин Сергей Сергеевич
  • Рыжов Евгений Васильевич
RU2699699C1

Реферат патента 2007 года СПОСОБ ОЧИСТКИ ПРОДУКТОВ СИНТЕЗА АЛМАЗОВ С ИЗВЛЕЧЕНИЕМ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО НИКЕЛЯ И МАРГАНЦА

Изобретение относится к электрохимическому выделению металлов из материалов сложного состава, в частности к способу очистки продуктов синтеза алмазов (ПСА), включающему электрохимическую обработку продукта синтеза в кислом электролите с получением графит-алмазного продукта, содержащего до 0,5-2,0% металлических примесей, и выделением металлического никеля и марганца на катоде. При очистке продуктов синтеза алмазов с извлечением никеля и марганца в виде металлического продукта электрохимическую обработку осуществляют в мембранном электролизере с циркуляцией католита через второй электролизер. Процесс ведут в области температур 25-30°С при катодной плотности тока в первом электролизере 2-15 А/дм2, во втором электролизере 15-30 А/дм2, и рН католита в присутствии в нем 100-150 г/л (NH4)2SO4 поддерживают при выходе из первого электролизера в пределах 5-7,5, а при возврате - 2,5-5. Техническим результатом является замкнутость в едином цикле процессов извлечения никеля и марганца и очистки ПСА. 1 табл.

Формула изобретения RU 2 294 313 C1

Способ очистки продуктов синтеза алмазов с извлечением металлического никеля и марганца, включающий электрохимическую обработку продукта синтеза в кислом электролите с выделением металлов на катоде, отличающийся тем, что электрохимическую обработку осуществляют в мембранном электролизере с циркуляцией католита через второй электролизер и процесс ведут в области температур 25-30°С при катодной плотности тока в первом электролизере 2-15 А/дм2, во втором электролизере 15-30 А/дм2 и рН католита в присутствии в нем 100-150 г/л (NH4)2SO4 поддерживают при выходе из первого электролизера в пределах 5-7,5, а при возврате - 2,5-5.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2007 года RU2294313C1

БОГАТЫРЕВА Г.П
и др
Исследование влияния природы металлов растворителей на кинетику электрохимического растворения продуктов синтеза алмазов
Сверхтвердые материалы, 1999, №1, с.59-65
СПОСОБ ОЧИСТКИ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ ОТ ПРИМЕСЕЙ 1999
  • Казаков В.Г.
  • Казаков М.В.
  • Кожухова С.А.
  • Гордеев А.П.
  • Довгаль Э.Я.
  • Костылев А.И.
  • Покровский Ю.Г.
  • Михайлов А.А.
  • Канюков В.В.
  • Скобелев А.П.
RU2163222C2
СПОСОБ ОЧИСТКИ УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО АЛМАЗА ОТ НЕАЛМАЗНОГО УГЛЕРОДА 1997
  • Ковригин С.А.
  • Митин А.Н.
  • Уваров С.В.
RU2132816C1
ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ, ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛИНЫ ОПТИЧЕСКОГО АКТИВНОГО ВОЛОКНА 1995
  • Фаусто Мели
  • Стефано Пичиаккиа
RU2159509C2
US 5133792 А, 28.07.1992
JP 60239314 А, 28.11.1985.

RU 2 294 313 C1

Авторы

Садыхов Гусейнгулу Бахлул Оглы

Даты

2007-02-27Публикация

2005-10-12Подача