Обзор основных методов очистки ультрадисперсных алмазов детонационного синтеза

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обзор основных методов очистки ультрадисперсных алмазов детонационного синтеза

1. УДА детонационного синтеза

В УДА носителем алмазных свойств являются ультрамикрокристаллы со средним размером 40-60 ангстрем. Частица такого размера практически является пограничным состоянием вещества, соответствующим переходу от молекулярных образований к надмолекулярным кристаллическим структурам. Будучи крайне малыми частицами, к тому же обладающими очень высокой поверхностной энергией, УДА стабилизируются в виде не разрушаемых блоков (кластеров) размером 200-300 ангстрем. А те, в свою очередь, объединены в более массивные хрупкие аморфные агрегаты. УДА получают при детонации взрывчатых веществ ВВ во взрывных камерах. Источником сводного углерода для образования алмаза служит углерод, содержащийся в ВВ. Взорванные в специальной камере ВВ оставляют после себя конденсированный остаток - алмазную шихту (АШ) черного цвета, содержащую 30-50% алмазного порошка. АШ представляет собой сложную физико-химическую систему, содержащую как углеродные структуры алмазного типа, так и различные графтоподобные структуры. Частицы алмазной структуры находятся в составе агрегатированных различным образом частиц. Компенсация избыточной поверхностной энергии УДА осуществляется за счет молекулярных фрагментов, содержащих гетероатомы (N,H,O).Эти фрагменты связаны химическими связями. Избыточная поверхностная энергия компенсируется образованием более или менее устойчивых абсорбционных и/или сольватных оболочек, состав которых зависит, прежде всего, от среды, в которой проводился синтез УДА. Специфическими свойствами АШ является высокая дисперсность, дефективность углеродных структур, развитая активная поверхность и связанная с этим повышенная реакционная способность.

Рис.1. Схематическое изображение наноалмазной частицы с различными поверхностными группами (разработано О. Шендеровой США).

Отсюда следует несколько принципиальных положений, которые должны непременно учитываться при решении вопросов выделения чистых УДА.

1.Получение достаточно чистых частиц УДА возможно только при достаточно интенсивных методах воздействия, способных подвести энергию, достаточную для разрыва химических связей.

2.В результате химической очистки образуется материал с характерной, присущей данному методу, структурной внешней оболочкой, что может решающим образом сказываться на потребительских свойствах материала.

3.Благодоря сильно развитой поверхности можно ожидать высоких скоростей химического превращения.

Следует отметить, что в детонационной шихте непременно присутствуют в той или иной степени металлы, попадающие в неё в результате износа рабочих поверхностей взрывных камер, а также посторонние, случайно попавшие частицы. Эти обстоятельства должны учитываться при разработке технологии очистки УДА.

2. Очистка УДА

Как уже отмечалось, АШ представляет собой не смесь УДА с различными примесями, а алмазные структуры входят в состав углеродной матрицы, содержащей и другие типы углеродных связей. Поэтому процесс очистки является не физико-механическим процессом разделения, а требует проведения химических процессов с высоким уровнем энергетического воздействия ,позволяющего обеспечить селективное разрушение углерод-углеродных связей , не свойственных алмазным структурам.В результате очищенные УДФ представляют собой уже качественно другой продукт по сравнению с исходным материалом.

Согласно современным представлениям, очищенные УДА представляют собой материал, состоящий ультрамалых частиц, каждая из которых имеет внутреннюю структуру алмазного кристалла, имеющего очень сложную поверхностную структуру, покрытого внешней стабилизирующей оболочкой из углерод-кислородных функциональных групп. Входе химической очистки практически не затрагивается структура алмазного ядра, составляющего отличительную особенность продукта как класса, но практически заново формируется внешний граничный слой частиц УДА , определяющий поведение алмаза в составе высокодисперсных систем. Именно поэтому можно утверждать, что стадия очистки является определяющей в формировании потребительских свойств УДА и именно этим определяется возможность получения разнообразных модифицированных видов продукта.

Обычно технология химического выделения и очистки синтетических алмазов состоит из трех этапов: растворение металлической составляющей, растворение неалмазных форм углерода (НФУ) и тонкая очистка от примесей.

Практически все известные подходы к очистке УДА основаны на использовании различной устойчивости алмазных и неалмазных форм углерода к действию окислителей. Причем различие возрастает с увеличением дисперсности, дефектности, аморфности НФУ. Поэтому для динамических методов синтеза алмазов (в частности, для синтеза УДА) возможно использование более дешевых технологий с применением более мягких окислительных сред с меньшими объемами вредных стоков. Кроме того, важно, что применяемый окислитель НФУ влияет на состав адсорбированных алмазом примесей.

Известны два режима окисления НФУ - газофазный и жидкофазный. Возможно также восстановление НФУ в потоке CH4 в потоке водорода при 800 С.

Расплавы щелочей разрушают кристаллы алмаза, поэтому используют только минеральные кислоты.

Каждый способ окисления НФУ имеет свои недостатки. Соединени шестивалентного хрома очень токсичны, и стоки трудно нейтрализовать и регенерировать. Хлорная кислота при нагревании с углеродом взрывоопасна. Окислительные смеси на основе серной кислоты имеют большой расход на единицу массы НФУ, а стоки требуют нейтрализации щелочью.

АШ содержит часть активных НФУ, которые начинают бурно окисляться уже при сравнительно низких температурах. Поэтому окисление шихты производят малыми объемами, сначала нагревают в серной кислоте и только после окончания реакции вводят другой окислитель(Cr2O3,KNO3).

Недостаток газофазного окисления - недопустимый рост температуры за счет реакции при плохом отводе тепла и, как следствие, большие потери алмаза. Кроме того, скорость окисления ограничена диффузией кислорода в глубину слоя шихты. Например, при высушивании очень активной шихты УДА, начиная уже с 150 С, реакция окисления кислородом воздуха самоускоряется, шихта разогревается до темно-красного свечения , при этом сгорает часть алмазов.

Преимущества жидкофазного окисления: стабильность температуры (кипение смеси) при высокой скорости окисления , полное сохранение алмаза, возможность организовать непрерывный процесс. Окисление НФУ в виде суспензии в маловязкой среде идет при кипении и выделении газов, что обеспечивает турбулизацию суспензии и свободный доступ окислителя к каждой частице твердой фазы. При этом снимаются все диффузионные ограничения на скорость окисления. Кроме НФУ, в раствор переводится значительная часть металлических примесей.

3. Обзор методов

Далее будут приведены краткие описания некоторых методов очистки УДА по патентам Российской Федерации.

1. Пат. РФ № 2004491 С1, С01, В 31/06. Способ очистки детонационного алмаза. Изобретение относиться к области получения и очистки детонационных алмазов и может быть использовано для извлечения алмазов из продуктов детонационного синтеза. Целью изобретения является сокращение длительности процесса и улучшение условий труда. Указанный эффект достигается тем что для селективного окисления неалмазного углерода обработку сырья ведут на воздухе при 300 - 550 С в присутствии борного ангидрида в количестве не менее 9 масс % от содержания алмазов в сырье.Способ основан на явлении образования на поверхности алмазных частиц пленки стекловидного борного ангидрида, предохраняющего частицы алмаза от окисления на воздухе при нагревании до 550 С, в то время как сырье, содержащее незащищенный ультрадисперсный алмаз окисляется полностью при 350 - 400 С.

2. Пат. РФ № 2019502 С1, С01, В 31/06. Способ удаления примеси неалмазного углерода и устройство для его осуществления. Использование: в получении ультрадисперсных алмазов. Шихту подвергают механической фильтрации затем обрабатывают концентрированной серной кислотой с последующим нагревом, добавляют к шихте в смеси с серной кислотой окислитель - водный раствор хромового ангидрида образуя реакционную смесь, содержащую серную кислоту, хромовый ангидрид и воду при следующем соотношении компонентов, в масс. %: серная кислота - 28-30, хромовый ангидрид 14-16, вода - остальное, производят отмевку УДА водой от продуктов кислотной обработки, нейтрализуют промывные воды, и утилизируют продукты нейтрализации. При это механическую фильтрацию осуществляют при помощи комплекта сит под действием вибрации, обработку шихты серной кислотой проводят при температуре 105-110 С, в течении 1.0 - 1.5 часа, отмывку УДА от продуктов кислотной обработки осуществляют сначала водой при температуре 60 - 70 С до рН, равного 5-6, затем горячей дистиллированной водой до отрицательной реакции на ионы хрома в промышленных промывных водах с последующей нейтрализацией промывных вод и последовательным добавлением хлорида бария и гидрооксида натрия с отделением полученных осадков.Изобретение позволяет повысить чистоту продуктов ускорить процесс и улучшить экологическую обстановку .

3. Пат. РФ № 2077476 С1, С01, В 31/06. Способ очистки ультрадисперсных алмазов. Использование: при изготовлении порошков синтетических алмазов изобретение позволит существенно ускорить процесс и сделать его экологически чистым за счет того, что при изготовлении озона в качестве окислителя графита озон может быть приготовлен и утилизирован в едином технологическом процессе. Сущность изобретения: через шихту искусственных алмазов пропускают озоно-воздушную смесь для окисления графита. При этом шихту нагревают до 120 - 400 С устройство же кроме сосуда для размещения шихты и нагревателя содержит генератор озоно-воздушной смеси и дополнительный сосуд для размещения шихты, соединенный с первым сосудом и имеющим большее чем первый сосуд проходное сечение. Дополнительное устройство снабжено нагревателем дополнительного сосуда.

4. Пат. РФ № 2109683 С1, С01, В 31/06. Способ выделения синтетических ультрадисперсных алмазов. Способ предназначен для выделения синтетических УДА и может быть использован для очистки алмазов от примесей. Алмазную шихту подвергают двухстадийной обработке водным раствором азотной кислоты : сначала 50 - 99% при 80 - 180 С, затем 10 - 40 % при 220-280 С. Жидкофазное протекание процесса обеспечивается давлением. Содержание в очищенном продукте (%): алмазов 98.2-98.3, окислиенных форм углерода 0,7-0,8, несгораемого остатка 0,9-1,0.

На данный момент технология очистки УДА термоокислительным методом с использованием жидкофазного высокотемпературного окисления в среде азотной кислоты обеспечивает наиболее высокие и стабильные показатели очистки, легко поддается масштабированию и является наиболее отработанной. Поэтому целесообразно рассмотреть его более подробно.

Этот метод апробирован и хорошо себя зарекомендовал в промышленной практике. Отличительной особенностью метода является применение процессов высокотемпературного жидкофазного окисления АШ водными растворами азотной кислоты под давлением, что позволяет решить в рамках единого технологического процесса весь комплекс задач по очистке и обеспечить возможность получения разнообразных товарных форм УДА.

Применение технически сложного,но эффективного метода высокотемпературного окисления азотной кислотой под давлением позволяет создать высокопроизводительный процесс с низким уровнем экологически опасных отходов.

В ходе отработки успешно решены все проблемы, связанные с созданием, организацией и безопасной эксплуатацией непрерывно работающего под давлением автоклавного реакторного узла.

Несмотря на то что принципиально метод позволяе перерабатывать АШ с любым содержанием УДА, с экономической точки зрения целесообразно использовать шихту с содержанием не менее 30% наноалмазов.

Процесс очистки УДА идет следующим образом: окисление активного углерода начинает протекать уже при сравнительно низких темперетурах - при 80-180 С, с использованием крепкой азотной кислоты концентрации 50-99%, при этом первичные окислительные процессы протекают даже при атмосферном давлении с выделением СО2 и окислов азота. При температуре ниже 80 С даже в среде высококонцентрированной азотной кислоты окислительные процессы практически не идут, а при температуре свыше 180 С даже 50%-ная азотная кислота приводит к слишком бурному окислительному процессу, нарастающему давлению окислов азота, увеличению протравления поверхности алмазов.При копцентрации АК ниже 50% первичные окислительные процессы в диопозоне температур 80-180 С идут слабо, неэффективно, а концентрация АК выше 99% в реальных промышленных процессах не существует, да и стоимость такой кислоты (более 99% по моногидрату) слишком высока, и применение ее становиться нерентабельно.

После окисления легкоокисляемого С и частичного растворения сопутствующих окислов металлов для дальнейшего окисления остаточного неалмазного углерода необходимо повышать температуру процесса до 220-280 С. При этом эксперименты показали, что для доокисления остаточного углерода и растворения окислов металлов достаточно использовать низкоконцентрированую (10-40%) АК. При том, чем выше температура, тем кислота более низкой концентрации может быть использована.

После проведения термоокислительной обработки под давлением, где завершаются все химические процессы, связанные с УДА получается суспензия УДА в водном растворе АК. Практически все примеси переходят либо в газообразные продукты, либо в растворенном состоянии и удаляются в ходе отмывки УДА обессоленной водой.

Расход азотной кислоты определяется уровнем замкнутости кислотообарота, что является предметом экономической оптимизации. Минимальный расход, с учетом потерь АК с промывными водами, может составить величину порядка 200 кг на 1 т УДА. Снижение уровня возвращаемой АК увеличивает нормы ее расхода, но может существенно снижать затраты на организацию рецикла.

Для нейтрализации кислых водных стоков может использоваться любой доступный технический щелочной агент (гидроокись натрия, аммиак, гидроокись кальция и т.п.).

Конечной продукцией является УДА в виде загущенной стабилизированной суспензии в дистиллированной воде (концентрированный раствор или паста) либо в виде сухого порошка. Свойства УДА в ходе получния могут быть модифицированы в зависимости от предпологаемого назначения, что создает предпосылки для расширения номенклатуры товарной продукции и ее защиты как особого вида продукции.

Блок-схема отражающая основные стадии процесса очистки и структуру потоков, приведена на рисунке 3.1.

В общем случае технология очистки УДА включает в себя проведение десяти видов работ.

1.Предварительная подготовка шихты (измельчение, усреднение, удаление механических примесей, магнитная сепарация, высушивание до определенной влажности). Данная стадия нормализует сырье в соответствии с дальнейшей технологией очистки. Большая часть операций может быть осуществлена в типовой аппаратуре, предназначенной для проведения перечисленных выше процессов , в пределах рекомендованных параметров процедуры очистки , Единственной специальной операцией является магнитная сепарация , которая требует создания специальной оснастки, допускающей различные варианты исполнения.

Все операции осуществляются на отдельном участке и не связаны непосредственно с проведением основного процесса очистки.

Объем работ на данной стадии определяется качеством используемой шихты.

2.Приготовление водных растворов азотной кислоты (около 50 %): а) из свежей концентрированной кислоты, б) из кислоты стадии абсорбции, в)из циркуляционной кислоты со стадии концентрирования.

Процесс осуществляется в типовом оборудовании для смешения кислот. Объем и количество аппаратов (смесители и емкости для хранения) целиком определяются выбранной схемой организации рецикла азотной кислоты, объемом переработки и циклом проведения операции смешения.

3.Приготовление подвижных гомогенизированных суспензий АШ в водных растворах азотной кислоты. Данная стадия является существенным элементом технологии , обеспечивая техническую возможность организации непрерывного процесса под давлением , при этом одновременно за счет использования многоуровневой фильтрации проводится отделение от механических инородных примесей и возможных полимерных остатков (зависит от технологии получения шихты).

4.Проведение термоокислительной обработки суспензии шихты в непрерывном режиме в аппаратах под давлением. Данная стадия является ключевой в технологии. Для ее проведения разработаны специальная аппаратура и методики пуска, испытаний, эксплуатации, аварийной и плановой остановки. Процесс проводиться при равновесном давлении в каскаде проточных аппаратов с профильтрованным температурным режимом. Давление 8-10 МПа. Температура до 240 С. В ходе термоокислительной обработки за счет использования кинетических факторов происходит селективное окислительное растравливание углеродной матрицы с высвобождением не затрагиваемых окислением частиц УДА, газификация неалмазных форм углерода, деструктивное разложение органических фрагментов примесей и перевод в водорастворимые солевые формы металлов.

В ФГУП СКТБ “Технолог” (Санкт - Петербург) процесс проводится на оборудовании, специально сконструированном для данного процесса. Конструктивно реакторный блок выполнен в виде проточных титановых автоклавов с коаксиальным секционированием. Необходимый температурный режим поддерживается за счет комбинирования принудительного внешнего обогрева каждого из реакторов с внутренним перераспределением тепловых потоков за счет использования тепла фазовых переходов и различной скорости перемещения потоков жидкости и газа.

При воспроизведении технологии конструкции реакторов могут быть изменены в широких пределах, но при этом необходимо каждое вносимое изменение анализировать с точки зрения особенностей химического процесса и обеспечения безопасности эксплуатации.

Строгое поддержание параметров процесса является условием обеспечения надлежащего уровня очистки и формирования однородного углерод-кислородного поверхностного слоя на поверхности частиц УДА.

5. Разделение продуктов термоокислительной обработки. На данной стадии осуществляеться переход от работы в аппаратуре под давлением к работе в аппаратах без давления. После дросселирования газожидкостного потока, поступающего с реакторного узла, проводиться отделение газообразных продуктов ( продукты деструкции и окислы азота). Газообразные продукты направляются на стадию доокисления воздухом и кислой абсорбции окислов азота. Отделение газов может осуществляться по одному из двух вариантов (под давлением 0.2-0.6 МПа, что повышает эффективность работы абсорберов, либо под разрежением, что существенно проще конструктивно и эксплуатационно).

Кислая суспензия УДА в отработанной азотной кислоте после отделения растворенных газов и отстоя разделяется на два слоя: загущенная суспензия УДА и верхний слой “осветленной” кислоты. Осветленная азотная кислота концентраии 20-40 % возращается на стадию приготовления исходных рабочих растворов. Таким путем удается вернуть от 50 до 75 % оставшейся в водном растворе кислоты.

Загущенная кислая суспензия направляеться на отмывку УДА от кислот и водорастворимых примесей.

Оборудование допускает различное конструктивное использование и может большей частью основываться на стандартных аппаратах, обеспечивающих возможность работы в пределах регламентируемых режимов.

6.Организация кислотооборта по азотной кислоте. Эти стадии включают в себя многоступенчатое доокисление кислородом воздуха окислов азота до четырехокиси азота, поглощение высших окислов водой или разбавленными растворами азотной кислоты с получением абсорбционной кислоты концентрации 40-50 %. Абсорбционная кислота так же как и осветленная кислота, после фазоразделения возращается в цикл переработки. Для регулирования баланса кислооборота по воде и с цельюнедопущения накопления в церкуляционной кислоте избыточного количества растворимых примесей проводять концентрирование осветленной кислоты путем ректификации.

Разбавленную кислоту возращают на стадию абсорбции.

Недостающее количество азотной кислоты восполняеться вводом свежей концентрированной азотной кислоты. Чем более высокую концентрацию будет иметь вводимая в процесс кислота свежая азотная кислота, тем легче организовывать замкнутые циклы кислотооборота и поддерживать баланс по воде.

Все процессы, связанные с регенерацией кислот из окислов азота, достаточно освоены в промышленной практике в любом масштабе, и эти стадии могут проектироваться на основе известных технических решений. Выбор схемы кислотооборота определяется прежде всего экономическими факторами.

Технически возможно вернуться в процесс до 75 % азотной кислоты, вводимой в процесс. Потери кислот связаны с экономической неэффективностью кислотной абсорбции остаточных окислов и с потерями азотной кислоты на стадиях промывки, также обусловлено экономической нецелесообразностью возвратной переработки очень разбавленных водных растворов, в которых собственно и накапливаются примеси.

7.Отмывка УДА от кислот. На данной стадии осуществляется замена наполняющей среды суспензии УДА с кислой на нейтральную.

Отмывка проводиться деонизированной водой заместительным методом по противоточной многоступенчатой схеме. Отмывка проводиться при обычных и повышенных температурах (до 80 С ). Процесс может быть приспособлен к типовой аппаратуре с некоторой доработкой отдельных узлов. В результате проведения отмывки получают суспензию УДА в деионизованной воде. Водная суспензия позволяет в максимальной степени использовать свойства УДА как высокодисперсной системы и являеться оптимальным вариантом в тех случаях, когда это допустимо технологией применения.

8.Переработка отходов. В процессе переработки образуются следующие виды отходов:

воздушный поток абсорбционных колонн кислотного поглощения, он содержит небольшие примеси окислов азота и паров азотной кислоты. Так как общий поток при относительно небольшом производстве достаточно мал, то для очистки обычно достаточно промывки отходящих газов щелочными водными растворами. Отработанные щелочные растворы направляются на стадию нейтрализации;

разбавленные водные растворы кислоты содержащей небольшое количество водорастворимых примесей нитратов металлов, преимущественно нитратов железа. Для очистки стоков можно использовать нейтрализацию любыми удобными щелочными агентами. В том числе можно использовать и отработанные щелочные растворы со стадии очистки газов.

Нейтрализованные водные стоки представляют разбавленный водный раствор нейтральных солей. Дополнительно стоки можно очищать методами концентрирования с отделением солей, адсорбционными методами и др.

Выбор и обоснование метода очистки стоков определяются конкретными требованиями по экологии в месте создания производства и являются предметом экономической оптимизации. При знании составов потоков это является стандартной технической задачей.

9.Получение нормализованных стабилизированных суспензий УДА в дистиллированной воде. Данная стадия осуществляет подготовку стандартизированных партий УДА с их фиксированным солержанием и может включать в себя стадии, обеспечивающие получение ассоциатов гидротированных частиц УДА различной степени агрегатированности.

Нормализация может включать в себя как получение максимально разагрегатированных разбавленных суспензий, так и получения концентратов, обладающих свойством концентрационной обратимости.

Выпускной продукцией могут быть суспензии УДА как в воде так и в водно-органических средах.

10.Получение УДА в виде сухого однородного порошка. Несмотря на то, что хранение УДА в сухом виде приводит к неизбежной агрегации, при которой частично теряется активная поверхность, во многих случаях эта форма является популярной в силу необходимости использования УДА именно в этом состоянии и удобства хранения и транспортировки.

Стандартная технология получения УДА в сухом виде предусматривает две основные модификации продукта, различающиеся степенью хрупкости агломератов.

В настоящее время в ФГУП СКТБ “Технолог” эксплуатируется собственная опытная установка, на которой проверяются различные технические решения по нестандартным стадиям и могут быть наработаны опытные и установочные партии продукта различных товарных форм.

Данная технология успешно реализована в КНР (г. Пекин) и в Белоруссии (г. Минск).

4. Фуллерены

алмаз фуллерен углерод окисление

В настоящее время кроме давно известных аллотропных форм углерода - графита алмаза и карбина получена четвертая аллотропная форма, так называемый фуллерен (многоатомные молекулы углерода С_n). В молекуле фуллерена атомы углерода связаны между собой ковалентной связью. Каждый из атомов углерода в С60 связан с тремя другими атомами, образуя при этом 12 правильных пятиугольников и 20 неправильных шестиугольников, молекула С₆₀ напоминает футбольный мяч (рис.).

Рис. Структура фуллерена С₆₀.

Длина связи С-С в пентагоне составляет 1,43A, такая же длина сторон гексагона, являющихся общими для обеих фигур, но сторона, общая между гексагонами имеет длину около 1,39A. Фигура, которую представляет из себя молекула фуллерена, называется усеченным икосаэдром. Этот многоугольник имеет высокую симметрию наиболее, близкую к сферической, поэтому молекулу С₆₀ можно рассматривать как сферическую оболочку. Толщина этой оболочки составляет около 1A, а ее радиус- 3,6A.

Наиболее эффективный способ получения фуллеренов основан на термическом разложении графита. Используется как электролитический нагрев графитового электрода, так и лазерное облучение поверхности графита. В.Кретчмер использовал установку, которая является традиционной для получения фуллеренов. Распыление графита осуществляется при пропускании через электроды тока с частотой 60 Гц , величина тока от 100 до 200 А, напряжение 10-20 В. Регулируя натяжение пружины, можно добиться, чтобы основная часть подводимой мощности выделялась в дуге, а не в графитовом стержне. Камера заполняется гелием, давление 100 Тор. Скорость испарения графита в этой установке может достигать 10г/В. При этом поверхность медного кожуха, охлаждаемого водой, покрывается продуктом испарения графита, т.е. графитовой сажей. Если получаемый порошок соскоблить и выдержать в течение нескольких часов в кипящем толуоле, то получается темно-бурая жидкость. При выпаривании ее во вращающемся испарителе получается мелкодисперсный порошок, вес его составляет не более 10% от веса исходной графитовой сажи., в нем содержится до 10% фуллеренов С₆₀ (90%) и С₇₀ (10%).Описанный дуговой метод получения фуллеренов получил название «фуллереновая дуга».

5. Выделение фуллеренов из продуктов синтеза

Наиболее удобный и широко распространенный метод экстракции фуллеренов из продуктов термического разложения графита (термины: фуллерен-содержащей конденсат, фуллерен-содержащая сажа), а также последующей сепарации и очистки фуллеренов, основан на использовании растворителей и сорбентов.

Этот метод включает в себя несколько стадий. На первой стадии фуллерен-содержащая сажа обрабатывается с помощью неполярного растворителя, в качестве которого используются бензол, толуол и другие вещества. При этом фуллерены, обладающие значительной растворимостью в указанных растворителях, отделяются от нерастворимой фракции, содержание которой в фуллерен содержащей фазе составляет обычно 70-80 %. Типичное значение растворимости фуллеренов в растворах, используемых для их синтеза, составляет несколько десятых долей мольного процента. Выпаривание полученного таким образом раствора фуллеренов приводит к образованию черного поликристаллического порошка, представляющего собой смесь фуллеренов различного сорта. Типичный масс спектр подобного продукта показывает, что экстракт фуллеренов на 80 - 90 % состоит из С₆₀ и на 10 -15% из С₇₀. Кроме того, имеется небольшое количество (на уровне долей процента) высших фуллеренов, выделение которых из экстракта представляет довольно сложную техническую задачу. Экстракт фуллеренов, растворенный в одном из растворителей, пропускается через сорбент, в качестве которого может быть использован алюминий, активированный уголь либо оксиды (Al₂ O₃, SiO₂) с высокими сорбционными характеристиками. Фуллерены собираются этим металлом, а затем экстрагируются из него с помощью чистого растворителя. Эффективность экстракции определяется сочетанием сорбент-фуллерен-растворитель и обычно при использовании определенного сорбента и растворителя заметно зависит от типа фуллерена. Поэтому растворитель, пропущенный через сорбент с сорбированным в нем фуллереном, экстрагирует из сорбента поочередно фуллерены различного сорта, которые тем самым могут быть легко отделены друг от друга. Дальнейшее развитие описанной технологии получения сепарации и очистки фуллеренов, основанной на электродуговом синтезе фуллерено-содержащей сажи и её последующем разделении с помощью сорбентов и растворителей, привело к созданию установок, позволяющих синтезировать С₆₀ в количестве одного грамма в час.

Размещено на Allbest.ru