способ очистки алмаза

Формула изобретения

Способ очистки алмаза, включающий его обработку в автоклаве при повышенной температуре и давлении смесью кислот азотной, соляной, фтористоводородной, отличающийся тем, что обработку смесью кислот ведут постадийно под воздействием микроволнового излучения, причем на первой стадии используют смесь азотной кислоты и перекиси водорода при объемном соотношении компонентов 10:1 соответственно, а на второй стадии объемное соотношение смеси концентрированных азотной, соляной, фтористоводородной кислот составляет 6:2:1 соответственно, при этом алмаз обрабатывают при температуре не более 210°С, давлении 25 атм, задаваемом коэффициентом заполнения автоклава, равным 1:10, мощности печи микроволнового излучения 1200 Вт и продолжительности каждой стадии не более 40 мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к улучшению чистоты и цветовых характеристик алмазов ювелирного качества и может быть использовано для высококачественной очистки алмазов одновременно от поверхностных загрязнений и отложений минерального и органического происхождения внутри трещин алмазов.

На поверхности и в трещинах природных алмазов часто имеются загрязнения, образовавшиеся в результате осаждения на поверхности и в трещинах алмазов из флюидных и расплавных фаз различных минералов, битумов, причем загрязнения часто имеют переслаивающийся характер.

Наличие загрязнений на поверхности и в трещинах кристаллов ювелирных алмазов усложняет сортировку сырья по цвету и дефектности, что приводит к значительным экономическим потерям.

Известны различные способы очистки поверхности алмазов, например обработкой потоком электронов или ионизирующим излучением и сверхзвуковой обработкой (JP 6183893 A, Sumitomo Electric Ind. Ltd., 05.07.94), сверхзвуковой обработкой в растворах щелочей, перекиси водорода, органических или неорганических кислот (US 4339281 A, RCA Corp., 13.07.82), обработкой в автоклаве концентрированной азотной кислотой при повышенной температуре (RU 2163222 C2, АООТ «Абразивный завод «Ильич», 20.02.2001). Однако данные способы обеспечивают очистку только поверхности алмаза либо от металлических примесей и остатков графита, либо органических загрязнений во время извлечения алмазов, либо очищают поверхность для улучшения крепежа алмазов в ювелирных изделиях.

Известен способ универсальной очистки алмазов, заключающийся в последовательной обработке алмазов в автоклавах органическими растворителями и перекисью водорода, щелочными реагентами, смесью концентрированных серной, соляной и азотной кислот при температуре 250-500°С и высоком парофазном давлении, последующей промывке дистиллированной водой и окончательной обработке смесью азотной и фтористоводородной кислот. (US 5133792 A, Anshal Inc., 28.07.92, US 5346090 A, Anshal Inc., 13.09.94.) Этот способ характеризуется низкой производительностью из-за многостадийности проведения процесса, связан с необходимостью специального аппаратурного оснащения проведения реакций при высоких температурах и парофазном давлении (US 5 346090 А 13.09.94).

Недостатками известных способов является то, что каждый из этих способов имеет узкое применение и используется для вполне конкретных видов загрязнений. Полная очистка вне зависимости от типа примесей достигается только в способе, описанном в патенте US 5133792, но процесс включает много стадий.

Наиболее близким к изобретению является способ химической очистки алмазов, включающем обработку природных алмазов при нагреве до 220-250°С и при повышенном давлении в автоклаве с реакционной емкостью из фторопласта в течение 1,5-3 ч смесью концентрированных азотной, соляной и фтористоводородной кислот при их объемном соотношении 3:1:(1-2), соответственно (SU 1104791 A, ГОХРАН и ГПИ редкометаллической промышленности «ГИРЕДМЕТ», 20.12.2000).

Этот способ позволяет очищать ювелирные алмазы только от загрязнений, содержащихся на поверхности кристаллов и образовавшихся в результате обогащения алмазосодержащей породы, которые представлены в виде следов металла, неорганических соединений и масел. Способ не обеспечивает высококачественной очистки от загрязнений смешанного происхождения, появившихся во время роста алмазов или позже в результате различных вторичных реакций, так как окислительно-восстановительный потенциал используемой реакционной смеси недостаточен для окисления битумов. Битумы экранируют доступ реакционной смеси к минеральным загрязнениям, и поэтому данный способ не позволяет растворять смешанные типы загрязнений, где минеральные фазы, образованные при росте кристаллов, такие как гранаты, рутилы, шпинели переслаиваются с битумными загрязнениями.

Задачей изобретения является получение алмазов ювелирного качества, а технический результат, который может быть получен при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в обеспечении полной очистки природных алмазов от смешанных загрязнений минерального и органического происхождения, в том числе битумных соединений на поверхности, в трещинах алмазов, и сокращении продолжительности процесса очистки.

Эффект достигается тем, что в способе очистки алмазов, включающем обработку алмазов в автоклаве смесью концентрированных азотной, соляной и фтористоводородной кислот при повышенной температуре и при повышенном давлении, обработку смесью кислот ведут постадийно под воздействием микроволнового излучения, при этом на первой стадии используют смесь азотной кислоты и перекиси водорода при объемном соотношении компонентов 10:1 соответственно, а на второй - объемное соотношение смеси концентрированных азотной, соляной, фтористоводородной кислот составляет 6:2:1 соответственно.

Процесс обработки проводят при температуре не более 210°С, давление задается коэффициентом заполнения автоклава, равным 1:10, и составляет 25 атм при мощности печи микроволнового излучения 1200 Вт. Время обработки на каждой стадии составляет не более 40 мин.

Широко известно, что мощное высокочастотное электромагнитное излучение с сантиметровой и субсантиметровой длиной волны способно ускорять протекание многих химических реакций. Современная трактовка данного феномена связывает увеличение скорости реакции не только с увеличением теплового экспоненциального множителя в уравнении Аррениуса, описывающей кинетическую константу реакции, но и с воздействием гармонических колебаний определенной частоты на предэкспонентциальный множитель. Вследствие этого происходит как энергетическое молекулярное возбуждение, так и повышается энергия атомных связей за счет перехода электронов на несвойственные им в нормальных условиях высокоэнергетические орбитали.

Выбранные режимы протекания реакций растворения загрязнений в условиях микроволнового излучения в смеси азотной кислоты и перекиси водорода позволяют окислять битумы в глубоких трещинах до углекислого газа и воды не более чем за 40 минут, освобождая поверхность минеральных загрязнений для дальнейшей реакции со смесью азотной, соляной и фтористоводородной кислот.

Найденные экспериментальным путем объемные соотношения смеси - азотная кислота: перекись водорода, равные 10:1, а также трехкомпонентной смеси концентрированных кислот - азотная : соляная : фтористоводородная, равные 6:2:1, при воздействии микроволнового излучения при мощности печи микроволнового излучения 1200 Вт, дают возможность за две стадии процесса растворять соединения различного минералогического состава не только на поверхности, но и в трещинах алмазов, не сортируя предварительно кристаллы по типу загрязнений. При температуре нагрева не более 210°С и диапазоне давлений от 15 до 40 атм предложенный способ позволяет удалять загрязнения с эффективностью, близкой к 100%.

Примеры осуществления изобретения.

Для очистки были отобраны кристаллы природного алмаза, содержавшие загрязнения с различной степенью ожелезнения и битуминизации в открытых глубоких трещинах. Общий вес отобранных алмазов составил 77,92 карата, всего 119 образцов из классов размерных групп: +1,8 кар., 4-6 gr, 3 gr, 2gr, +11. Каждый алмаз был изучен на предмет загрязнения визуально с помощью оптического микроскопа МБС-10. Алмазы помещались во фторопластовый стакан автоклава емкостью 100 мл и заливались реакционной смесью, приготовленной следующим образом: 100 мл концентрированной азотной кислоты заливают в полиэтиленовую мерную емкость, затем добавляют 10 мл 30%-перекиси водорода, выдерживая объемное соотношение 10:1. Реакционную смесь добавляли из расчета 10 мл на каждые 50 карат (или 10 грамм) алмазов, что соответствовало коэффициенту заполнения автоклава 1:10, затем реакционную емкость закрывали крышкой. После чего автоклав помещался в микроволновую печь для растворения проб. Для обработки использовалось лабораторное оборудование микроволновой пробоподготовки типа MARS 5 с набором автоклавов высокого давления. Задавалась мощность печи микроволнового излучения, равная 1200 Вт и температура 210°С. Контроль изменением температуры производился с помощью стандартного блока управления прибором. Давление измерялось датчиком давления и отражалось на дисплее. Время обработки задавалось также на дисплее прибора и составляло 40 минут.

По окончании нагрева автоклав охлаждался до 35±5°С, алмазы промывались бидистиллятом и заливались второй реакционной смесью, состоявшей из 60 мл концентрированной азотной кислоты, 20 мл концентрированной соляной кислоты и 10 мл концентрированной фтористоводородной кислоты, соответствующие объемному соотношению 6:2:1. Второй цикл очистки проводился по тем же параметрам, после чего кристаллы промывались повторно бидистиллятом, при этом добавлялось 10 мл воды и проводилось замещение кислотных остатков по трещинам кристаллов водой в течение 15 минут при температуре 150°С. После чего кристаллы вынимались из автоклава и сушились на воздухе. Качество и степень очистки поверхности алмазов определялась визуально с помощью оптического микроскопа МБС-10.

Предложенный способ обеспечил получение следующих результатов:

1. Улучшение визуального цветового восприятия общей массы алмазного сырья (77,92 кар., 119 штук).

2. 3агрязнения в классе крупности +1,8 кар. были исключены полностью.

3. В классе крупности 4-6 gr из 10 кристаллов с наличием нефтепродуктов (битумных загрязнений) полностью очищены 6 штук, в остальных степень очистки достигала 94-96%.

4. Среди ожелезненных алмазов размерных групп 3 gr, 2 gr, +11 абсолютной очистки достигли 90% кристаллов, в остальных замечены незначительные остатки загрязнений.

5. Предложенный способ очистки позволяет с эффективностью, близкой к 100%, очистить битуминозные и ожелезненные заполнения в трещинах.

6. Поскольку стандартный набор рабочих автоклавов для СВЧ печи используемого прибора MARS 5 составляет 11 штук и один контрольный, то при загрузке одного автоклава 50 каратами алмазов можно одновременно производить очистку около 500 карат (100 грамм) природных алмазов в течение не более 1,5 часов.