Способ химической очистки ультрадисперсных алмазов от примесей

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ХИМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ АЛМАЗОВ ОТ ПРИМЕСЕЙ(71) Заявитель Научно-производственное закрытое акционерное общество Синта(73) Патентообладатель Научно-производственное закрытое акционерное общество Синта(57) Изобретение относится к технологии очистки ультрадисперсных алмазов (УДА). Очистку проводят 3062 -ным раствором азотной кислоты при повышенных температуре и давлении. Обработку ведут в проточном режиме при температурах в зонах нагрева 90-160 С, 200-260 С, 210-300 С последовательно, а относительное время пребывания в указанных зонах составляет (1,5-5)1(0,3-2,5). Процесс характеризуется повышенной безопасностью. Изобретение относится к способам получения синтетических алмазов, конкретно - к способам химической очистки ультрадисперсных алмазов (УДА), получаемых методом детонационного синтеза из взрывчатых веществ. Конденсированные продукты детонационного синтеза - алмазсодержащая шихта - имеют в своем составе алмазный и неалмазный высокодисперсный углерод, а также до 10 неуглеродных примесей. Использование кислотно-окислительных смесей и растворов позволяет в одну или несколько стадий полностью растворить примеси и получить очищенный УДА. Известно использование азотной кислоты в виде смесей с другими кислотами (серная, фосфорная, хлорная) для очистки ультрадисперсных алмазов от примесей неалмазного углерода и неуглеродных компонентов. Так, согласно 92/00243, алмазсодержащую детонационную шихту обрабатывают окислительной смесью, содержащей 5-40 азотной кислоты, концентрированную серную кислоту и дополнительно до 20 серного ангидрида, обработку ведут при 250-305 С, причем предварительно шихта обрабатывается кипящей азотной кислотой, затем шихта с окислительной серно-азотной смесью предварительно нагревается до 110180 С. Многостадийность обработки, применение кислотных концентрированных смесей свидетельствуют о сложности и небезопасности процесса. Реакционная смесь кислот не подлежит регенерации после очистки УДА. Использование азотной кислоты в виде водных растворов для очистки УДА связано с совокупностью экстремальных факторов высокого давления, высокой температуры, концентрированной кислотыокислителя 3, активного высокодисперсного углерода. Процесс газификации неалмазного углерода по реакции С 23 С 22 Н 2 сопровождается выделением большого объема газов, а также значительным экзотермическим эффектом. В практике это чревато опасностью самопроизвольного неконтролируемого роста температуры и давления,что может привести к аварийным ситуациям на производстве. Задачей настоящего изобретения является повышение безопасности процесса очистки УДА и увеличение производительности процесса. Поставленная задача решается тем, что обработку алмазсодержащей шихты ведут раствором азотной кислоты с концентрацией 30-62 при повышенных температуре и давлении при перетоке суспензии шихты в азотной кислоте последовательно через зоны нагрева с температурой в первой зоне 90-160 С, во-второй 4533 1 200-260 С, в третьей -210-300 С. При этом времена пребывания суспензии в указанных зонах нагрева соотносятся как (1,5-5)1(0,3-2,5), а продолжительность обработки во второй зоне нагрева составляет до 15-30 мин. Особенностью окислительного воздействия азотной кислоты на неалмазный углерод является наличие нескольких стадий с различными скоростями, энергиями активации, тепловыми эффектами. Заявляемый способ позволяет учитывать и использовать кинетические особенности процесса с тем, чтобы избежать опасности неконтролируемого роста давления и температуры, одновременно используя тепловые эффекты реакции для поддержания нужных условий и экономии энергоресурсов. Пропусканием реакционной суспензии через зоны нагрева обеспечивается осуществление процесса в наиболее благоприятных и безопасных условиях. Первая зона нагрева имеет температуру 90-160 С. В этом интервале температур происходит окисление наиболее реакционноспособной части неалмазного углерода. Процесс характеризуется относительно невысокой скоростью, низкими значениями кажущейся энергии активации, образованием поверхностных и кислоторастворимых промежуточных продуктов окисления и их газификацией. При температуре ниже 90 С скорость образования таких продуктов окисления очень мала, что увеличивает необходимое время пребывания суспензии в зоне нагрева, а это снижает производительность процесса и эффективность использования оборудования высокого давления. Повышение температуры первой зоны нагрева выше 160 С приводит к быстрому накоплению и превращению промежуточных продуктов окисления в конечные - газообразные оксиды углерода и азота. Следствием этого являются перепады давления, что снижает безопасность процесса. Во второй зоне нагрева поддерживается температура в пределах 200-260 С. В этих условиях окислению подвергается менее реакционноспособная часть неалмазного углерода шихты. Скорость реакции высокая,наблюдается значительный экзотермический эффект и интенсивное газовыделеие. Однако поскольку наиболее реакционноспособная фракция неалмазного углерода уже окислена в первой зоне нагрева, рост газовой нагрузки в реакционном пространстве второй зоны нагрева является умеренным и хорошо регулируемым. Третья зона нагрева реакционной суспензии имеет температуру 210-300 С. Основное содержание химических процессов, происходящих в этой зоне, заключается в доокислении наиболее стойких примесных компонентов, составляющих 2-5 мас.от их общего количества, формировании на поверхности УДА стабилизирующего функционального покрова, а также в приведении к равновесному состоянию нитрозных компонентов смеси. В третьей зоне нагрева гарантированно завершаются основные окислительновосстановительные процессы в суспензии, что повышает качество очистки УДА, безопасность и технологичность способа. Концентрация 3 оптимальна в пределах 30-62 и обусловлена, во-первых, требованиями безопасности и коррозионной стойкости материала реакторов, а во-вторых - химизмом воздействия на ряд неуглеродных примесей. Наиболее эффективно и безопасно очистка УДА протекает при сочетании указанных температурных режимов и концентрационного диапазона с заданным относительным временем пребывания суспензии в зонах нагрева, а именно при соотношении времени пребывания в зонах нагрева (1,5-5,0)1(0,3-2,5) соответственно. При этом время обработки суспензии во 2-ой зоне нагрева составляет до 15-30 мин. В общем случае заявляемые временные параметры связаны с относительными скоростями последовательных стадий окисления неалмазного углерода. В свою очередь, эти скорости зависят от ряда факторов, например, температуры в зоне нагрева, концентрации азотной кислоты, относительного содержания неалмазного углерода в реакционной смеси, активности этого углерода. За время пребывания суспензии в 1 зоне происходит нагрев суспензии до реакционноспособного состояния и окисление части неалмазного углерода. Сокращение времени пребывания взоне ниже указанного соотношения уменьшает долю окислившегося углерода, что в свою очередь увеличивает реакционную нагрузку на вторую зону нагрева. Во второй же зоне нагрев ведется до более высоких температур (200260 С), поэтому окисление приобретает слишком интенсивный характер, сопровождается резким всплеском газообразования, что снижает безопасность процесса очистки УДА. Увеличение времени прерывания реакционной смеси в первой зоне более указанного не целесообразно с точки зрения производительности процесса и не дает дополнительных преимуществ по качеству очистки и безопасности способа. Относительное время пребывания реакционной суспензии во второй зоне нагрева является параметром,обеспечивающим качество очистки целевого продукта. Оно определяется эмпирически и может составлять от десятков секунд до 15-30 мин, в зависимости от конкретных условий процесса. Однако более значимой является не абсолютная, а относительная длительность пребывания суспензии во второй зоне, согласованная с другими временными интервалами, как это указано в заявляемом способе. Относительная длительность пребывания взоне нагрева обеспечивает завершение основных реакционных процессов в системе и стабилизацию состава отработанной кислоты. Тем самым создаются условия безопасного дросселирования и разгрузки сосудов высокого давления. Уменьшение длительности пребывания суспензии взоне нагрева менее указанного соотношения не позволяет с достаточной надежностью считать завершенным весь процесс очистки. Превышение длительности пребывания сверх указанного соот 4533 1 ношения ведет к необоснованному перерасходу энергоносителей и снижению производительности оборудования высокого давления. Процесс очистки УДА, согласно заявляемому способу, может быть осуществлен в трубчатом реакторе или в каскаде реакторов проточного типа. В первом случае необходимый температурно-временной режим обеспечивается путем формирования трех зон нагрева различной протяженности. Во втором - путем заполнения реакторов до расчетного объема в соответствии с заявляемыми соотношениями времени пребывания суспензии в каждом из них. Заявляемый способ реализован в промышленном масштабе в НП ЗАО Синта Способ химической очистки ультрадисперсных алмазов от примесей, включающий обработку алмазсодержащей шихты раствором азотной кислоты при повышенной температуре, отличающийся тем, что обработку ведут водным раствором азотной кислоты концентрации 30-62 в трех зонах нагрева в первой при 90-160 С, во второй при 200-260, в третьей при 210-300 С, при этом продолжительность обработки во второй зоне нагрева составляет до 15-30 мин, а продолжительности обработки в трех зонах связаны соотношением (1,5-5)1(0,3-2,5). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.