关于人造金刚石提纯技术的分析

2020-11-17 100 技术交流

金刚石自身硬度突出,且热导率最高,其自身化学性质稳定,使得在工业制造、化学生产、光学研发方面有广泛应用前景。金刚石物料中夹杂石墨、触媒金属、叶腊石、白云石等物质,要保证金刚石纯净度满足要求,需对金刚石进行提纯处理。金刚石化学物质稳定,不会被强酸、碱溶解,而触媒金属、石墨、叶腊石及白云石等,可通过化学反应去除,达到提纯金刚石的目的。

1 金刚石传统提纯工艺

去除触媒金属主要通过电解处理。通过液压设备把合成棒破碎为 5~10 mm 的颗粒,投入到以盐酸体系为电解母液的电解池中进行电解,电解时间一般在90~100 h。此种方法的优点是能够快速提取合成料中的触媒金属,提取率达到 95%以上。缺点是盐酸体系存在一定程度的污染,需定期添加母液所需的导电主盐,其成本投入不高,经济效益突出。

1.1 石墨及无定型碳的去除

以硝酸、硫酸、氧化剂按照比例混合后,加入金刚石混料中,把金刚石全部浸没,把酸液加热到 280 ℃,可有效去除石墨及无定形碳。用来处理金刚石的氧化剂需要全部回收,不仅可大幅度降低成本,还可减少环境污染。对石墨及无定型碳的去除有以下方式供参考:(1)球磨金刚石后浮选去除粉末石墨,以硝酸浸泡加入硫酸,提高反应速度,去除石墨的同时,还去掉少量金属残渣。(2)在 550~600 ℃高温环境中,将氧化剂和金刚石混合,利用和分子氧的选择性氧化,去除无定型碳。

1.2 叶蜡石、白云石的去除

叶蜡石为层状硅酸盐,其会和氢氧化钠生成硅酸钠,溶于水,以水洗方式可有效去除。对叶腊石高温处理后,会生成柯英石、蓝晶石,和氢氧化钠反应后被去除。白云石加热到 700~900 ℃时分解为二氧化碳和氧化钙、氧化镁的混合物,称苛性镁云石,易与水发生反应。(1)高温碱熔处理。向金刚石物料中加入氢氧化钠,加入比例为 1:5,充分混匀后加热反应在熔融状态保持 6~8 h;冷却 150 ℃以下,方可加水使其溶化,避免出现爆炸等安全隐患。倒掉液体,以硝酸再次浸泡8~10 h,揉搓、淘洗成中性后烘干。该处理方式可用于对多晶金刚石复合的有效处理。(2)低温碱处理。低温碱处理也是应用高温碱处理的原理,此方法对生长规则金刚石单晶有效处理,对于生长不规则的金刚石单晶或聚晶处理效果有限。低温碱处理,耗费的碱量较大,为高温处理模式的 2~3 倍。金刚石与碱溶物,在温度冷却后凝结化解难度比较大,操作较为麻烦,且对操作条件要求高。

2 超微金刚石的化学提纯分析

纳米固体材料在当下各行各业中有深入应用,其应用前景广阔。对金刚石而言,超微金刚石其超微分粒径为 4~8 μm,具有纳米材料性质,在工业的电镀、润滑等操作中应用空间较大。超微金刚石提纯,当下多以化学反应方式得到,以硫酸氧化方式去除石墨,对金刚石进行提纯。但这种强酸提纯方式对空气及水源污染严重,采用硫酸需投入大量成本。目前国际上存在以稀硝酸高温高压对金刚石提纯方式,该方式对环境污染小,但其处理工艺对设备要求较高,生产存在安全风险。还有学者以硫酸沸腾处理,再以氯氟酸水对金刚石混料处理,以爆轰法获得超微金刚石,去除杂质。经过此工艺处理后,金刚石混料的大多数杂质均可去除,只残留少量无定型碳,且该工艺无法对无定型碳进行有效去除,需配合其他步骤进行再处理。以强氧化剂配合硫酸、硝酸按照科学配比混合,并选择强度突出、密封的容器,将微粉置于容器中,物料达到完全浸泡,而后先对其进行加热,将浸泡物加热,沸腾 30~40 min 后停止加热,将酸液回收,对物料进行揉搓、淘洗,利用脱水设备分离其中的水分、再烘干,最终得到灰色金刚石。但是灰色金刚石其纯度并不满足工艺要求,需在灰色金刚石的基础上再以氢氟酸去除混杂碳酸盐杂质,重复洗涤、分离、烘干步骤,最终生成杂质较少的纯金刚石粉末。

3 超微金刚石的物理提纯分析

化学方法提纯金刚石,仍然会对环境造成污染,而使用物理提纯方式,能满足环境保护需求。可将时代前沿的各项机械技术和化学提纯工艺应用到对人造金刚石的提纯当中去,丰富提纯技术,提高提纯效果,降低对生态环境的污染,减少提纯步骤对相关操作人员造成的不良影响。物理提纯金刚石方法为:先对电解后的物料进行球磨处理,然后通过单波摇床进行初步筛选,去除石墨、叶腊石、白云石杂质之后,通过磁选、分筛等工序,得到约 90%的含杂质金刚石和含金刚石的粗精矿。通过对粗精矿以专业的球磨机破碎或气流破碎处理,以此去除合金物料和少量石墨、叶腊石、白云石,经摇床筛选处理后,再次进行电解。含杂质金刚石,经酸碱处理后则可获得纯度较高的金刚石。(1)磨碎分级。磨碎分级常用于矿物加工,最近也将其应用于微粉加工中。以专业的片磨机研磨支持,可以将石墨和矿物杂质有效分离。(2)泡沫分离。泡沫分离是矿物加工中常用分离方法,通过泡沫分离可对细粒物料进行有效处理。我国金刚石提纯技术上,可以落实泡沫分离技术。例如,可通过煤油和 2# 油浮选取提纯金刚石。对脂肪族捕收剂分析了解到,二烃基二磷酸钠为一种高效捕收剂,在金刚石提纯上有较广阔应用前景。(3)重液分离。以重液分离对金刚石提纯,效果突出,投入成本较少。且重液分离和采取无毒分选方式,确保操作人员自身操作的安全性。目前,也有通过水选叶腊石、电解触媒金属,在球墨处理混合料之后,添加抑制剂,之后对石墨进行去除处理,以“微摇”去除,再通过无毒重液对金刚石进行净化处理,得到纯净的人造金刚石。在上述工艺当中没有酸碱参与,整体工艺环保性突出,且提纯成本得到有效控制。除上述金刚石物理提纯方式之外,还有一些其他较为实用的分离方式,如磁场分选、静电场等方式,其对金刚石提纯中分离石墨效果也较高,可按照实际应用情况,选择合适的工艺。

4 结 语

综上所述,文章对金刚石的化学及物理提纯方式进行分析,通过查阅大量文件,对相关学者金刚石提纯的技术分析,指出超微金刚石自身具有纳米材料性质,在各行业中应用前景广阔。要认识到超微金刚石的纳米性质,积极分析环保型的金刚石提纯方式,以此提高金刚石生产效率,有效降低生产成本,促进行业经济效益提升,也提高我国综合社会效益。


作者 | 柯赞锋(河南黄河旋风股份有限公司,河南 长葛 461500)

源丨冶金与材料 第40卷 第3期  黑龙江省石墨产业协会整理,转载请注明出处