6.气相氧化法提纯人造金刚石的新工艺设计与评价

《6.气相氧化法提纯人造金刚石的新工艺设计与评价》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、万方数据总第143期2006年第5期安徽化工17气相氧化法提纯人造金刚石的新工艺设计与评价李小东(中北大学环境与安全工程系，山西太原030051)摘要：目前人造金刚石的提纯工艺是一道高污染的工序。基于对人造金刚石合成棒中各组分不同的物理、化学性质分析，设计了气相氧化法提纯人造金刚石的新工艺，有效避免了传统工艺带来的严重环境污染。研究了石墨的气相氧化机理，对温度、时间对石墨氧化速率的影响机制进行了分析。结果表明：采用该工艺所得金刚石成品的抗压强度、晶体形貌和纯度均达到品质指标；同时新工艺通过减少酸用量及回收催化剂合金，有效降低了成本，具有明显的经济效益。关键词：人造金刚

2、石；提纯；气相氧化；新工艺中图分类号：TQl64．8文献标识码：A文章编号：1008—553X(2006)05—0017—031引言人造金刚石是利用石墨与触媒金属经高温高压作用合成的，其合成块是由金刚石、石墨、触媒金属和少量叶蜡石组成的柱状致密混合体。要获得纯净的金刚石必须提纯。目前，一般生产厂家采用的提纯生产工艺流程是：酸溶或电解去合金并解离出金刚石一手工搓揉细化一手工筛分去粗粒一手工淘洗去石墨—烧杯煮王水除净合金一煮硫硝混酸(或高氯酸)除净石墨—不锈钢(或铁)容器煮碱除净叶蜡石。该法污染严重，工作条件差；同时，现存工艺还存在工序繁琐，能耗大，效率低，成本偏高等问题

3、，这种状况严重制约着金刚石粉体的生产规模和质量。为解决环境污染和提高处理效率，国内外研究人员进行了各种尝试，在此技术领域开展的研究工作仍停留在围绕液相氧化方法(高温强酸氧化)主工艺，进行辅助性的工艺改进，始终无法从本质上解决提纯工艺过程中的严重环境污染。因此，有必要开发和研制一种有效的人造金刚石无污染分离提纯工艺。本文设计了一种气相氧化法提纯人造金刚石的新工艺，并对该工艺的技术经济指标进行了分析和评价。2提纯新工艺的设计2．1基于合成棒物料理化性质的提纯机理分析从合成棒中提纯人造金刚石需要根据人造金刚石与石墨、触媒金属、叶蜡石等物质的性质(特别是其密度、脆性、热稳定性

4、、化学稳定性等)上的差异，采用一定的物化方法来实现。气相氧化法是基于金刚石与石墨在空气中的起始氧化温度不同，选择合适的温度将石墨氧化掉，来实现金刚石与石墨、催化剂合金的初分离。在静态超高压高温催化剂法生产的人造金刚石合成棒中，合成的金刚石与石墨、触媒金属和少量叶蜡石碎屑等相互紧紧地粘混在一起。因此，应首先对合成棒进行机械破碎预处理。为了达到减少环境污染的目的，以空气中的氧气作为氧化剂，采用气相氧化法除石墨。人造金刚石与石墨在空气中的热稳定性即起始氧化温度不同，石墨的起始氧化温度为520。C，而金刚石的起始氧化温度为7000C左右。因此，可选择介于二者间的温度将石墨氧化

5、掉，而不影响金刚石的品级。同时，为了提高石墨的氧化速率及燃耗，并减小对金刚石的热腐蚀，在气相氧化过程中需添加特殊助剂。对于触媒金属，由于其价格较高，因而在分离时要考虑尽可能地加以回收利用。因工业上常用的触媒金属是铁基催化剂合金，即铁、钴、镍、锰等金属的化合物，这些物质都属于铁磁性材料，因此可采用磁选的方法将金属催化剂分离出来。采用磁选方法分离触媒金属，首先要解决的问题就是金刚石与杂质的解离。合成棒中的石墨被气相氧化初分离后，原来非常紧密的颗粒将变得疏松。金刚石与杂质在硬度上存在很大差异，利用金刚石硬度高，不易被磨碎的特点，在破碎解离过程中将发生选择性磨碎。将剩下的金刚

6、石和金属催化剂在球磨机中破碎解离后就处于分离状态。本文采用的磁分离法具有无污染，操作简单，在分离的同时触媒金属就得以回收等优点。在破碎解离和磁选后，人造金刚石中的杂质基本得收稿日期：2006—06—09作者简介：李小东(1978一)，男，中北大学环境与安全工程系助教，北京理工大学在读博士研究生，研究方向：安全技术及工程。lixiaodonghaoren@126．com，010—68914902，13261062512。万方数据18总第143期2006年第5期安徽化工到有效分离，但还有少量石墨存在，因此还需精除石墨。利用人造金刚石与石墨的密度差，选择合适的重液，可将其与

7、石墨分离。最后，碱处理叶蜡石及酸处理对人造金刚石进行表面净化来精制金刚石。2．2工艺流程(见图1)匾斗圆圆斗匾圃匿亟圄卜匦酐匿圃叫丽砑歼丽}懂虱i．El纯净金刚石I图1气相氧化法提纯新工艺流程图3石墨气相氧化机理研究3．1试验方法采用等温热重法研究石墨的气相氧化动力学。热重试验装置为北京光学仪器厂生产的PRT一1型热天平，试验的温度区间为520～650℃，空气流速为100mol·min～。试验结束后，将试验原始数据进行重量一时间关系的曲线拟合，得到函数w(t)，然后对函数求导，按下式计算石墨在某时刻的氧化速率k：太一争．丁dW(t)xj000(mgz