Способ выделения ультрадисперсных алмазов

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ АЛМАЗОВ(71) Заявитель Научно-производственное закрытое акционерное общество Синта(73) Патентообладатель Научно-производственное закрытое акционерное общество Синта(57) Предложен способ выделения ультрадисперсных алмазов (УДА) из жидких технологических сред, включая концентрированные кислоты, при котором суспензия УДА подается вдоль фильтрующей пористой перегородки со скоростью 0,2-7 м/с при давлении в потоке (0,01-0,5)105 Па. Соотношение среднего размера пор фильтра и среднего размера частиц УДА составляет 25-25000. Процесс характеризуется высокой производительностью (до 600 л/м 2 в час), стабильностью, возможностью периодической регенерации фильтра обратным потоком жидкости или воздуха. Изобретение относится к технологии получения синтетических алмазов, конкретно - к способам выделения ультрадисперсных алмазов (УДА) из жидких технологических сред, включая концентрированные растворы кислот. В силу малых размеров частиц УДА (2-20 нм) и гидрофильных свойств их поверхности седиментационные процессы выделения этих алмазов являются крайне медленными, приемы прямого фильтрования УДА через тонкие и ультратонкие фильтры - нетехнологичными и связанными с потерями целевого вещества. Согласно известному способу (Патент РФ 2019500, МПК С 01 В 31/06, 1994) разделение алмаза и жидкости ведут с применением проточной ультрафильтрации при скорости суспензии в каналах ультрафильтра 2-6 м/с, давлении(0,5-6,0)105 Па и температуре 20-90 С. В указанных условиях поток суспензии постоянно разрушает образующийся намывной слой частиц твердой фазы, препятствуя таким образом падению производительности процесса. Ультрафильтрационные мембраны имеют размер пор 0,015-0,5 мкм, производительность процесса составляет 6-24 л/м 2 ч. Способ характеризуется низкой производительностью, фильтрующие мембранные устройства нестойки к действию кислот (азотной, серной и т.п.), а также к действию потока алмазсодержащей суспензии. Кроме того, ультрафильтрационные мембранные трубчатые элементы не подлежат регенерации методом обратного потока (воздухом или водой), что ухудшает технологичность способа. Задачей настоящего изобретения является разработка способа выделения УДА из жидких технологических сред с высокой производительностью, стабильной скоростью фильтрования, возможностью периодической регенерации фильтра методом обратного потока жидкости или воздуха. Кроме того, задачей является возможность выделения УДА не только из водных, но и сильнокислых суспензий с концентрацией минеральной кислоты до 70 . Указанная задача решается тем, что выделение УДА проводят путем пропускания алмазсодержащей суспензии вдоль пористой фильтрующей перегородки при скорости потока суспензии 0,2-7 м/с, избыточном давлении в потоке суспензии (0,01-0,5)105 Па и соотношении между средним размером пор фильтрующего элемента и средним размером частиц УДА 25-25000. Выделение УДА проводится как из водной, так и из кислотной среды, причем одновременно может проводиться отмывка УДА от кислоты (или других растворимых веществ) путем постоянного или циклического добавления воды взамен отфильтрованного раствора. Экспериментально установлено, что при тангенциальном фильтровании суспензии УДА могут быть созданы условия, когда разделение частиц УДА размером 2-20 нм и дисперсионной среды происходит на пористых перегородках с размером пор 0,5-50 мкм. При этом фильтрование жидкости идет с высокой скоростью,4532 1 которая сохраняется постоянной в течение длительного периода работы и восстанавливается полностью при периодическом взрыхлении фильтра обратным потоком жидкости или воздуха. Получают фильтрат прозрачный, потери УДА с отфильтрованной жидкостью исключены. При использовании керамических фильтрующих элементов (трубчатых или плоских), выполненных из кислотостойкой керамики и имеющих средний размер пор в интервале 0,5-50 мкм, возможно выделение УДА из кислотных суспензий, содержащих до 70 кислоты, например азотной. Мы полагаем, что в указанных условиях, когда скорость потока соответствует ламинарному и переходному от ламинарного к турбулентному режимам, у поверхности пористой перегородки формируется особый подвижный слой суспензии с концентрацией частиц УДА более высокой, чем в объеме суспензии. Частицы УДА в этом слое агрегированы и образуют сплошную (в пределах слоя) коагуляционную структуру, проницаемую для молекул жидкости, но ограничивающую перемещение частиц твердой фазы в тангенциальном направлении. Условия отделения УДА от жидкости в общем случае соответствуют условиям кинетической стабильности указанной коллоидной структуры. При снижении скорости потока суспензии менее 0,2 м/с через пористую перегородку проходит мутный фильтрат, что ведет к потерям УДА. По-видимому, при низких скоростях эффект приповерхностного торможения частиц недостаточен для их концентрирования, коагуляции и образования фильтрующего слоя, задерживающего частицы УДА. Повышение скорости потока свыше 7 м/с вызывает турбулизацию суспензии,за счет чего фильтрующий слой УДА размывается, теряет сплошность и не препятствует течению суспензии через поры фильтра. Фильтрат становится мутным, далее идет забивка пор, образуется неравномерный намывной слой на поверхности фильтрующей перегородки. Избыточное давление в потоке жидкости (0,01-0,5)105 Па обеспечивает эффективный отток фильтрата через пористую перегородку. Снижение давления менее 0,01105 Па приводит к снижению производительности процесса и ухудшает его экономические характеристики. Превышение давления сверх 0,5105 Па приводит к тому, что скорость фильтрования жидкости через перегородку превышает фильтрующую способность коагуляционного слоя УДА и гидродинамическое равновесие в системе нарушается. Фильтрат при этом становится мутным, высокая производительность снижается из-за забивки фильтра. Обеспечение заявленных условий пропускания суспензии УДА вдоль фильтрующей пористой перегородки позволяет использовать для разделения суспензий не ультра- и даже не микрофильтры, а сравнительно широкопористые материалы - керамические, полимерные или иные, с размером пор 0,5-50 мкм. Уменьшение размера пор фильтра менее 0,5 мкм (отношение диаметра пор к диаметру УДА менее 25) переводит процесс в режим ультрафильтрации, который характеризуется меньшей производительностью по фильтрату. В этих условиях, по-видимому, фильтрующая способность коагуляционного слоя алмазных частиц выше, чем у тонкопористой мембраны, но движущая сила для фильтрования 2 сквозь этот слой практически отсутствует. Слой становится неустойчивым, склонным к переуплотнению и налипанию на стенки фильтра. Увеличение размера пор сверх соотношения диаметра пор к диаметру УДА более 25000 приводит к свободному протеканию суспензий УДА через фильтрующую перегородку. При выделении УДА из кислых сред указанные закономерности сохраняются, в то же время на первый план выходят вопросы химической стойкости фильтрующих материалов в концентрированных растворах кислот. Керамические фильтры на основе оксидированного титана позволяют вести процесс в среде азотной кислоты с концентрацией до 70 . Примеры конкретного осуществления заявляемого способа приведены ниже. Пример 1. 200 л водной суспензии УДА с концентрацией 0,2 мас . пропускают вдоль керамического трубчатого фильтрующего элемента, помещенного в цилиндрический кожух, снабженный патрубками для отвода фильтрата и подачи сжатого воздуха. Скорость потока на входе в фильтр 0,52 м/с, избыточное давление 0,05105 Па. Средний размер пор фильтра 8 мкм (отношение диаметра пор к диаметру УДА 2000). Температура суспензии 50 С. Суспензия циркулирует в замкнутом контуре в течение 4 часов, за это время отобрано 180 л прозрачного фильтрата. Средняя производительность по фильтрату 45 л/ч, с учетом площади фильтра (0,075 м 2) - 600 л/м 2 ч. Получено 20 л концентрата с содержанием 2 УДА. Пример 2. 500 л 1 -й суспензии УДА в 50 -м растворе азотной кислоты пропускают вдоль керамического фильтрующего элемента, оснащенного, как в примере 1. Скорость потока суспензии 4,16 м/с, избыточное давление 0,3105 Па. Отношение диаметра пор к диаметру УДА 12500 температура суспензии 35 С, суспензия циркулирует в течение 7,5 ч, за это время отобрано 450 л прозрачного фильтрата (50 азотная кислота), получено 50 л концентрата с содержанием УДА 10 мас. . Производительность по фильтрату 60 л/ч, с учетом площади фильтра (0,15 м 2) - 400 л/ м 2 ч. Пример 3. 1000 л водной суспензии УДА с концентрацией 0,5 пропускают вдоль плоского фильтрующего элемента, оснащенного как в примере 1. Скорость потока суспензии 4,16 м/с, избыточное давление 0,3105 Па. 2 4532 1 отношение диаметра пор к диаметру УДА 12500 температура суспензии 40 С. В процессе циркуляции суспензии в фильтрующий элемент периодически подают сжатый воздух (избыточное давление (0,5-1)105 Па) для регенерации фильтрующего слоя. Суспензия циркулирует в течение 12 часов, за это время отобрано 900 л прозрачного фильтрата, что соответствует производительности 500 л/ м 2 ч. При периодической регенерации фильтра сжатым воздухом наблюдается стабильно высокая производительность при длительном сгущении суспензии. Из приведенных в примерах результатов следует, что предлагаемый способ имеет преимущества перед прототипом в части повышения производительности - на порядок и более, что обусловлено использованием широкопористых фильтрующих материалов. Способ выделения ультрадисперсных алмазов из жидких технологических сред путем фильтрования потока алмазосодержащей суспензии, отличающийся тем, что фильтрование осуществляют, направляя поток суспензии вдоль пористой фильтрующей перегородки со скоростью 0,2-7,0 м/сек и давлении в нем (0,010,50)105 Па при отношении между средним размером пор фильтрующей перегородки и средним размером алмазных частиц 25-25000. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 3