超硬材料网

作者简介：

       张戈，高工，毕业于东北大学有色冶金系，先后从事电解铝、电解镁、电解铜粉、镍粉、铅粉等技术工作，2005年进入金刚石合成行业，从事合成金刚石原材料的研究工作。

       【摘要】本文通过对现行金刚石提纯的主流工艺的弊端分析，提出一个全新的金刚石提纯工艺流程图，并对其合理性进行论证。确认该项技术必将在短时间内，取代现行工艺流程，达到节约能源和资源，降低成本，改善环境的目标。新工艺流程可提高功效三倍，每吨金属节电3000—4000KWh。

      一、前言

       现在金刚石行业迎来了大发展的机遇，但金刚石提纯工序却是制约企业发展的一颗“毒瘤”，必须对其作一大型手术，才能得到医治，得到新生。

       现行金刚石提纯工艺的核心是“电解合成块”将金属触媒从石墨和金刚石中分离出来的技术。该技术是将合成柱破碎成一定粒度后（以不破坏金刚石晶粒为限）装入阳极布袋进行电解，电解液将合成块中金属溶解为金属离子后进入电解液，然后在阴极板上放电还原成金属，剩余的石墨和金刚石再经球磨（或辗压），过筛，筛上料约有10%左右再返回去二次电解，筛下料送摇床分选，使金刚石与石墨分离。这种工艺不成熟，不合理，以致于产生很多弊端。而成为企业中的一颗“毒瘤”，对人员，对环境造成极大的污染和伤害。现已到非彻底整治不可的时候了。

       二、现行金刚石提纯工艺的主要问题

       现行工艺的核心技术是“合成块的电解”它属于可溶阳极电解。该工艺的主要问题在于选择用“电解合成块”的方法回收金属。这是一个带有根本性的错误选择。合成块装入布袋中连同阳极板吊挂在电解槽中，是静止不动的，布袋中的物料和阳极板也是经压实是静止不动的。金属触媒是依靠电解液缓慢地进入布袋，渗透到合成块中与暴露出来的金属表面进行氧化反应，使金属以Fe²⁺、Ni²⁺、Co²⁺等形式进入电解液。对于经过高温高压作用后的料块，电解液是很难将金属快速溶解出来的，一般都需要5-8天时间，这么漫长的时间要消耗多少能源，浪费多少材料，对环境造成多大污染？所以一般金刚石合成企业都将这部分隐藏在偏僻的角落中，不易被人发觉。

       选择电解工艺回收金属本是无可厚非，一个好的工艺如果放到一个极不合理的位置，它也无法发挥作用。下面举两个与“电解合成块”相类似的例子，进行一下对比，从中不难发现这种选择是否合理，是否科学。

       （1）在铜电解精练方面：是将粗铜或铜合金铸成阳极板，在电解槽中进行电解，在阴极板上得到精练铜，其直流电耗仅为230-280KWh/吨铜。

       （2）在铜矿浆电解方面：首先将黄铜矿磨细到10-65μm，然后装入阳极布袋进行电解，在阴极得到铜粉，其直流电耗仅为1000-1500KWh/吨铜粉，应该旨出，矿浆电解处理的是黄铜矿（硫化矿）而不是纯金属，其难度可想而知。

       联想到“电解合成块”中金属是极分散的质点，被层层包裹，又不能磨得很细，还要装入布袋中，这又属于“隔膜电解”应用在本工艺，使阳极整体电压降占槽电压的70%以上，所以选择“电解合成块”在关键性的三个方面都处于劣势，是极不合理的选择。

       综上所述，现行金刚石提纯工艺存在的主要问题是：

       1、 电解周期漫长，一般为5-8天，一般合成金刚石从混料到压机合成仅需二天时间，而该工序就要这么长时间，不能不说是一种时间的浪费，时间就是钱呀！

       2、 电能消耗过高，由于电流效率低下，仅为53-65%，槽电压过高造成电能消耗过高，一般直流电耗为6000-9000KWh/吨金属，是名符其实高耗能工程。

       3、 浪费很多原材料，电解液的单价就是10000元/吨，其他材料也很贵重，增加金刚石的制造成本

       4、 有些企业对电解设备的选型很不合理，给设备正常运行带来很多困难。

       5、 三废排放不达标，严重污染环境，损害了操作人员及周围居民的健康。

       鉴于存在的上述问题，我们不能不说这属于应该淘汰的落后的工艺技术。

       三、新的金刚石提纯工艺流程图

       现行金刚石提纯工艺有很多弊端，究其根本原因是所选择的工艺流程不合理，所选择的设备也不合理造成的。金刚石合成工艺是一个很年青的专业，需要借鉴和学习其他专业，其他行业的行之有效的专业技术，电解过程是一个纯电化学工艺过程，对行业内的人来说还是很陌生的，电解工艺是化工、冶金工业经常用到的成熟技术，它有很多种，就看你能否选的正确，选的合理。

       本文提出新的工艺流程，主要是解决化学反应或电化学反应的速度问题，使其更符合化学反应动力学的要求。新的金刚石提纯工艺流程图请见下图。

金刚石提纯工艺流程图

       四、新的金刚石提纯工艺的合理性

       1、选用反应釜作为金属的溶出设备，这是最好的选择

       反应釜是化工生产的最成熟设备之一，是破解石墨——触媒的有效手段，大型反应釜有一次可装数吨物料，该釜有电加热器，可用来控制最适宜的反应温度，有机械搅拌器，可使合成块和酸液在釜中不断的摩擦运动，不断地暴露出新的反应界面，同时H2SO4、HNO3还能使石墨酸化，形成可膨涨石墨，使石墨膨涨细化，将金属暴露出来。由于反应釜可以控温，可以搅拌，还可以在0.1-1.0Mpa下加压，提高反应速度，这些都是化学反应动力学的必要条件。

       在日常工作，经常会遇到处理金刚石合成小样，即将小样适当破碎，然后用H2SO4、HNO3混合液浸泡，一般1-2小时就可将金刚石分离出来，而现行提纯工艺却需要5-8天的时间，真是不可思议的事情。

       用反应釜浸出金属仅需10-15小时就已足够了（装料量可在1-3吨左右），可见反应釜是一个高效率的反应容器，完全能满足本工艺要求。

       2、新工艺选择湿法冶金中水溶液电解工艺，该工艺是有色冶金中最成熟的电化学提取冶金技术，其电流效率可达到98%以上，直流电耗在3000-4000KWh/吨金属，一个电解周期仅用24小时就够了，贫化的电解液经简单处理再返回到反应釜进行下一轮的浸出，从而实现快速电解，节约电能的目标。

       3、金属回收率高

       保证回收率高的第一点是金属的溶浸条件优越，第二点是水溶液电解是一个最强的氧化——还原过程，由元素的电化学电极电位顺序可知，Ni、Co的电极电位。

触媒元素的电化学数据

       均较Fe为正，所以优先在阴极板上还原沉积，这就保证了有价金属的回收率。

       因此，新工艺选择反应釜溶出金属，选择水溶液电解提取金属，这属于强强联合，这是新工艺的两大亮点，是一个保证产品多、快、好、省和环境友好的工业设计。

       五、结论：

       现行金刚石提纯工艺已经完成其历史使命，已经不能满足当前经济社会发展的需要，我们应转变经济发展方式，与时俱进，不断创新，大力推进新工艺的推广应用。

       新的工艺流程图是一个科学地、合理的组合，不仅仅能给企业带来经济效益，环境效益，而更重要的是改变了企业中最为薄弱的环节，使企业走上节约资源、节约能源、环境友好、可持续发展的健康道路。

       本文由于篇幅所限制，不能对流程中每一环节的技术条件和操作技术加以说明，将在今后项目实施过程中，对操作人员和技术人员进行化学、电化学工程培训中传授给项目单位。

       敬请行业专家，行业同仁批评指正。