способ компактирования и очистки аморфного мышьяка

Классы МПК:C22B30/04 получение мышьяка
B22F3/00 Способы и устройства для изготовления заготовок или изделий из металлических порошков
Автор(ы):, , , , , , , ,
Патентообладатель(и):Научно-исследовательский институт химии при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского
Приоритеты:
подача заявки:
1999-05-20
публикация патента:

Изобретение относится к порошковой металлургии и уничтожению химического оружия, в частности путем компактирования и очистки технического мышьяка, получаемого в ходе детоксикации люизита и адамита. Способ заключается в том, что кристаллизацию осуществляют прессованием аморфного мышьяка в блок при давлении 130-2000 кгс/см2 с поэтапным ступенчатым нагревом его от комнатной температуры 500°С с выдержкой при 300 - 350°С в течение 15 - 30 мин на первом этапе и 450 - 500°С в течение 15 - 30 мин на втором этапе. Способ позволяет повысить производительность и упростить процесс получения компактного кристаллического мышьяка.

Формула изобретения

Способ компактирования и очистки аморфного мышьяка путем его кристаллизации, отличающийся тем, что кристаллизацию осуществляют прессованием аморфного мышьяка в блок при давлении 130 - 2000 кгс/см2 с поэтапным ступенчатым нагревом его от комнатной температуры до 500°С: с выдержкой при 300 - 350°С в течение 15 - 30 мин на первом этапе и 450 - 500°С в течение 15 - 30 мин на втором этапе.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к областям уничтожения химического оружия, порошковой металлургии и посвящено компактированию и очистке технического мышьяка, получаемого в ходе детоксикации люизита и адамсита.

Одним из способов уничтожения мышьяксодержащих боевых отравляющих веществ, таких как люизит и адамсит, является их восстановление аммиаком (аммонолиз). Основным продуктом этого процесса является аморфный мышьяк. Этот мелкодисперсный порошок, отделенный от остальных продуктов детоксикации, содержит большие количества воды, углерода и органических веществ. Концентрация углерода и органических веществ в мышьяке достигает 1,0 мас.%, а влага содержится в таком количестве, что порошок становится несыпучим и комкуется. Удаление влаги даже при сушке порошка в вакууме не решает проблему. При взаимодействии кислорода воздуха с сырым или с сухим мышьяком образуются либо мышьяковые кислоты, либо оксиды. Все это делает аморфный мышьяк, получаемый при уничтожении люизита и адамсита, малопригодным для длительного хранения и практического использования.

Основной путь устранения указанных недостатков и улучшения потребительских свойств продукта заключается в переводе мышьяка из аморфного состояния в компактную, кристаллическую форму (компактирование).

Известен способ компактирования аморфного мышьяка путем его плавления [1]. Плавку мышьяка осуществляют в кварцевых ампулах в атмосфере собственных паров при давлении 36 атм и температуре 818oC. При этих условиях аморфный порошок превращается в расплав, который при последующем охлаждении затвердевает в виде монолитного слитка мышьяка, имеющего поликристаллическую структуру. Этот способ не обеспечивает очистки мышьяка от сопутствующих примесей и осуществляется при высоких температуре и давлении, что относится к основным его недостаткам.

Известен способ компактирования и очистки аморфного мышьяка путем его сублимации в потоке инертного газа [2] или в вакууме. Для этого аморфный мышьяк загружают в кварцевую ампулу с двумя температурными зонами: 500-600oC для испарения мышьяка и 400-450oC для его конденсации. Температура процесса сублимации мышьяка в потоке инертного газа ~ на 50-100oC выше, чем при проведении в вакууме. Процесс компактирования осуществляют при постоянной откачке ампулы форвакуумным насосом или подаче потока инертного газа. В зоне конденсации мышьяк осаждается на стенках ампулы в поликристаллическом состоянии. Одновременно в ходе сублимации мышьяк очищается от некоторых примесей, которые отличаются от него по летучести.

Этот известный способ компактирования и очистки аморфного мышьяка выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения как наиболее близкий к нему по назначению и технической сущности.

Качество мышьяка, получаемого по прототипу, сильно зависит от скорости и условий его сублимации: чем выше температура зоны испарения мышьяка, тем выше скорость сублимации мышьяка, но образуются мелкие, плохо сформировавшиеся кристаллы, поскольку массовая конденсация (кристаллизация) мышьяка начинается уже в паровой фазе. В результате этого аморфный порошок лишь превращается в мелкокристаллическую форму, то есть задача компактирования не решается. При малой скорости сублимации мышьяка, то есть небольшом перепаде температур между зонами испарения и конденсации, образуются крупные, хорошо сформировавшиеся кристаллы, но процесс характеризуется малой производительностью. Поэтому малая скорость процесса, большая его продолжительность и низкая производительность являются характерными недостатками известного способа.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности и упрощение процесса получения компактного кристаллического мышьяка.

Поставленная задача решается тем, что (в отличие от известного способа компактирования и очистки аморфного мышьяка путем его сублимации в потоке инертного газа или в вакууме) кристаллизацию аморфного мышьяка осуществляют при давлении 1500-2000 кгс/см2 в два этапа: при 300- 350oC в течение 15-30 мин на первом этапе и при 450-500oC в течение 15-30 мин на втором этапе. Предварительно из аморфного мышьяка при комнатной температуре и давлении 130-1500 кгс/см2 прессуется блок необходимой массы.

Компактирование и очистку аморфного мышьяка осуществляют в следующем порядке. Сначала аморфный мышьяк при комнатной температуре загружается в матрицу из нержавеющей стали и сдавливается пуансоном до давления 130-1500 кгс/см2. На этой стадии из мышьяка отжимаются излишки влаги, образуется полусухой, механически прочный блок плотностью 2,5-3,0 г/см3, являющийся заготовкой будущего компактного кристаллического образца.

Затем с блока снимается давление, и его быстро нагревают до 300-350oC. Спрессованный блок мышьяка нагревается вместе с матрицей и пуансоном с помощью нагревателя резистивного типа. При нагреве блока мышьяка до 350oC из него испаряются остатки влаги и десорбируются органические вещества, то есть происходит его очистка от указанных примесей.

На второй стадии нагретый во время сушки до 300-350oC блок аморфного мышьяка нагружают до давления 1500-2000 кгс/см2 и выдерживают в течение 15-30 мин. При этом отдельные аморфные частицы мышьяка спекаются друг с другом и уплотняются до плотности 4-4,5 г/см3. Затем блок быстро нагревают до 450-500oC и выдерживают при этой температуре 15-30 мин. В блоке происходит кристаллизация мышьяка и образование компактного, монолитного образца. Плотность образца достигает 5,5- 5,7 г/см3, приближающегося к табличному значению для металлического мышьяка 5,73 г/см3.

Процесс быстрой кристаллизации аморфного мышьяка объясняется тем, что в условиях высокого давления на спекшиеся аморфные частицы мышьяка при температуре 450-500oC происходит их массовая кристаллизация, а так как давление собственных паров мышьяка в этих условиях достигает 10-50 мм рт. ст., одновременно протекает и перекристаллизация в более крупные образования. Растущие кристаллы вытесняют из массы мышьяка примесь углерода, которая концентрируется на краях блока. Эти края, состоящие, в основном, из углерода, сохраняют рыхлую аморфную структуру и легко осыпаются при механическом воздействии. Основная часть блока представляет собой поликристаллический монолит с характерным металлическим блеском. Поликристаллическая структура полученного мышьяка подтверждается результатами рентгеноструктурного анализа образца. Существенным является то, что кристаллизация и перекристаллизация частиц мышьяка в условиях высоких давления и температуры происходят независимо от размеров блока, т. е. блок мышьяка может иметь большие размеры и достигать массы в десятки килограммов.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает компактирование аморфного мышьяка и его очистку от воды, органических веществ и углерода и увеличение производительности процесса компактирования.

Существенными признаками предлагаемого изобретения являются прессование аморфного мышьяка в блок при давлении 130-1500 кгс/см2 при комнатной температуре, нагрев его до температуры 300-350oC без давления, а затем выдержка образца при давлении 1500-2000 кгс/см2 сначала при температуре 300-350oC в течение 15-30 мин, и далее при температуре 450-500oC еще 15-30 мин. Если давление при формировании блока аморфного мышьяка меньше 130 кгс/см2, то монолитного образца из него в дальнейшем не получается. Создавать давление при формировании блока выше 1500 кгс/см2 не имеет смысла, поскольку при этом не улучшается качество получаемого компактного образца. Использование давления меньше 1500 кгс/см2 при компактировании и кристаллизации мышьяка (температура 300-500oC) не приводит к получению монолитного поликристаллического блока с плотностью 5,5-5,7 г/см3; при меньшем давлении образуется неоднородный мелкокристаллический блок с плотностью ниже 5,5 кг/см3. Кристаллизация мышьяка при давлении выше 2000 кгс/см2 (температура 300-500oC) не приводит к улучшению качества образца, и поэтому не имеет смысла. Прессование мышьяка осуществляют в двух температурных интервалах: при 300-350oC на первом этапе и при 450-500oC - на втором. Если блок сразу нагреть до 450-500oC, то вместе с парами воды и других примесей мышьяк частично сублимирует и улетает из зоны кристаллизации, что приводит к потерям продукта. Спекание аморфных частиц мышьяка и удаление из него воды и органических примесей достигается на первом этапе компактирования при температуре 300-350oC. При нагреве блока аморфного мышьяка ниже 300oC примеси из него удаляются не полностью. При температуре первого этапа выше 350oC еще не спекшийся мышьяк частично сублимирует. Продолжительность выдержки образца на первом этапе составляет 15-30 мин. Этого времени достаточно для испарения и десорбции воды и органических примесей. Если время выдержки меньше 15 мин, то указанные примеси частично остаются в образце и загрязняют получаемый продукт. Выдержка блока при температуре 300-350oC свыше 30 мин не имеет смысла, поскольку удаление примесей уже полностью завершено, и дальнейший нагрев не улучшает качества получаемого продукта.

Кристаллизация мышьяка и удаление из него примеси углерода достигается на втором этапе нагрева блока до 450-500oC. При температуре ниже 450oC процесс кристаллизации и перекристаллизации зерен мышьяка, а также вытеснения углерода на границы зерен протекает с очень низкой скоростью, и образец сохраняет псевдокристаллическую структуру. Температура выше 500oC не имеет смысла, поскольку не улучшает качества компактного образца. Продолжительность нагрева на втором этапе, так же как и на первом, составляет 15-30 мин. Этого времени достаточно для завершения процесса кристаллизации мышьяка и вытеснения из него примеси углерода. При меньшем времени нагрева (< 15 мин) эти процессы остаются незавершенными.

Осуществление кристаллизации аморфного мышьяка путем его прессования в блок при давлении 1500-2000 кгс/см2 с двухэтапным ступенчатым нагревом в течение 15-30 мин при температуре 300-350oC на первом этапе и 450-500oC - на втором являются существенными признаками предлагаемого изобретения, которые в совокупности обеспечивают достижение поставленной цели: упрощение и повышение производительности процесса компактирования и очистки аморфного мышьяка.

Перечисленные признаки не известны из открытых источников научно-технической информации и являются новыми.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает компактирование аморфного мышьяка в монолитный кристаллический образец, при этом упрощается процесс получения и повышается его производительность.

Источники информации

1. Рцхиладзе В.Г. Мышьяк. М.: Металлургия, 1969.

2. В.А. Федоров, А.А. Ефремов, Э.Г. Жуков и др. Получение мышьяка особой чистоты из продуктов детоксикации люизита. Ж. Российского химического общества. 1995. Т.39. С.46-57.

Класс C22B30/04 получение мышьяка

способ переработки отходов цветной металлургии, содержащих мышьяк и серу -  патент 2486135 (27.06.2013)
способ обезвреживания мышьяксодержащих сульфидных кеков -  патент 2483129 (27.05.2013)
способ удаления мышьяка из отходов кобальтового производства -  патент 2477326 (10.03.2013)
способ получения антисептического препарата из мышьяксодержащих продуктов, полученных при уничтожении люизита -  патент 2414347 (20.03.2011)
способ получения элементного мышьяка -  патент 2409687 (20.01.2011)
способ извлечения мышьяка из водных растворов -  патент 2395600 (27.07.2010)
способ переработки арсенопиритных сульфидных золотосодержащих концентратов -  патент 2350667 (27.03.2009)
способ извлечения мышьяка из водных растворов -  патент 2323988 (10.05.2008)
не загрязняющий окружающую среду способ вакуумной экстракции мышьяка и оборудование для его осуществления -  патент 2293130 (10.02.2007)
способ экстракции золота из содержащего мышьяк и золото концентрата и оборудование для его осуществления -  патент 2293127 (10.02.2007)

Класс B22F3/00 Способы и устройства для изготовления заготовок или изделий из металлических порошков

способ изготовления скользящих контактов -  патент 2529605 (27.09.2014)
пресс-инструмент для проходного прессования порошковых материалов -  патент 2529329 (27.09.2014)
способ изготовления заготовок из титана -  патент 2529131 (27.09.2014)
композиция, улучшающая обрабатываемость резанием -  патент 2529128 (27.09.2014)
способ получения металломатричного композиционного материала -  патент 2528926 (20.09.2014)
способ получения модификатора для алюминиевых сплавов -  патент 2528598 (20.09.2014)
способ получения режущего инструмента из карбидсодержащих сплавов вольфрамовой (вк) и титано-вольфрамовой (тк) групп -  патент 2528539 (20.09.2014)
электрод, применяемый для поверхностной обработки разрядом, и способ его изготовления -  патент 2528527 (20.09.2014)
способ изготовления металлического изделия из порошкового материала цикличным послойным лазерным синтезом -  патент 2526909 (27.08.2014)
спеченная твердосплавная деталь и способ -  патент 2526627 (27.08.2014)
Наверх