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人工合成金剛石臭氧脫石墨新工藝的研究

關鍵詞 人工合成金剛石|2007-07-14 00:00:00|技術信息|來源 中國超硬材料網
摘要 人工合成金剛石,在現代工業中占有重要地位,據不完全統計,近幾十年來,我國人工合成金剛石,年產量約為5~6億克拉,居世界3-4位。在人工合成金剛石過程中,金剛石的提純,特別是金剛石顆...

  人工合成金剛石,在現代工業中占有重要地位,據不完全統計,近幾十年來,我國人工合成金剛石,年產量約為5~6億克拉,居世界3-4位。
  在人工合成金剛石過程中,金剛石的提純,特別是金剛石顆粒表面去石墨是一個非常關鍵的環節。據報道,目前常用去石墨的方法是用HClO4、HS2SO4+HNO3等。這些方法,雖然能有效地去掉金剛石顆粒表面的石墨,但由此帶來的環境污染,特別是對操作人員的健康的影響非常嚴重。因此,不少人為解決此問題作了很大的努力,如廢氣吸收等,但仍不能從根本上解決問題。針對這一情況,作者研究了一種以臭氧化氣體代替酸煮工藝,從而從根本上解決了Cl2、NO2對環境的污染和對操作人員身體健康的影響。
  臭氧去除人造金剛石顆粒表面石墨的原理是基于臭氧在常溫下極不穩定,易分解成O2+O,而原子態O的活性很高,在200℃以下,即可與C反應,其反應式為2O3+C(石墨)=CO2+2O2。從反應付產物來看,CO2+2O2對環境和人體無影響。用此法對2000克拉金剛石進行了脫石墨處理,效果良好,其產品質量達到或超過酸處理結果。
  經Ca(OH)2水溶液鑒定,實際上O3在105℃便與石墨開始作用。表1是O3 和純石墨的反應條件及結果。由表可見O3在120℃與石墨有較強的反應,使裝料減重0.9375克,約占總料重的16.7%,平均每克石墨耗臭氧量為8.5克,與按上述反應式,計算出的臭氧耗量8克O3/克石墨非常接近,僅為理論值的1.06倍,可見O3的利用率是很高的。
  但當臭氧和含10%石墨的金剛石料反應時,情況有所變化,其反應條件和結果示于表2中。由表2中可以看出下列結果:1)在105℃時,O3的確與金剛石中的石墨發生反應,且隨著反應溫度和O3濃度的增加,反應速度也增加;2)當O3和石墨反應時,隨反應溫度和氣體中O3濃度的增加,O3利用率變化不大,約為理論值的2倍。因為這是氣—固界面反應,在相同O3流量下,O3同純石墨料的接觸機率比金剛石料中石墨接觸機率大,以及金剛石料進行實驗,另外,由于臭氧發生器與去石墨反應器尺寸的限制以及試圖獲得更多的反應信息,故將200克金剛石料分十三次進行實驗,其中部分實驗的條件與結果見表3。由表3可見,當臭氧化氣體流速增加時,反應速度增加,而臭氧耗量卻有所降低,僅為理論值的1.75倍,卻為14克O3/克石墨,這可能是因為隨著臭氧化氣體流速的增加,臭氧與石墨的接觸機率加大所致。
   成本計算,按每克石墨臭氧14克計算,每克金剛石耗資為1分人民幣。經進一步改進反應器結構,每克石墨耗臭氧8.4克,按此結果計算,每克金剛石耗資為0.66分人民幣。另外,即使按最差的結果,即每克石墨耗臭氧22克,每克金剛石耗資1.7分人民幣。如果用酸處理石墨,按有關報道,每3000克金剛石料耗資5元,耗電費2.6元,總共人民幣7.5元,平均每克金剛石耗資為0.25分人民幣,小于臭氧處理結果。
   環境治理費或設備折舊費,據文獻報道,年產960000克拉的金剛石廠,環境治理費每克金剛石需5分人民幣,一年的治理費9600元,而臭氧設備折舊費一年約6000~7000元,平均每克金剛石耗資3.6分人民幣。把處理費和設備折舊費相加,臭氧處理每克金剛石耗資為4.2~5.3分人民幣,而酸處理工藝為5.285分人民幣。這一結果至少可以說明,用臭氧處理不比酸處理成本高。更重要的是臭氧處理的付產物為CO2+O2,對大氣無任何污染,對人體無任何損害,而且操作輕松。而用酸處理,盡管經過吸收劑吸收,但仍有小量酸霧放在大氣中,特別是操作人員要遭受Cl2或NO2之苦。
  上述為初步結果,但它畢竟說明了一個重要事實,即用臭氧可去除人造金剛石料中的石墨,而且經進一步研究,在成本上有可能優于酸處理工藝至少是相當。這一技術的成功,不僅為我國人工合成金剛石工業的發展,從根本上解決了環境污染問題,而且,減輕了操作人員的勞動強度,維護了身體健康。
 

 

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