Способ получения ювелирного персонифицированного алмаза
Изобретение предназначено для использования в ювелирной промышленности и позволяет получить мемориальный алмаз от бледно-желтого до голубого оттенка в зависимости от содержания в нем примесей, который идентифицируется с конкретным человеком и является предметом памяти о нем. Способ включает обработку биологического материала, принадлежащего конкретному индивидууму, и выращивание на его основе искусственного алмаза путем воздействия высоких давлений и температур. Обработку ведут путем механического измельчения, предварительной просушки, химической обработки в соляной кислоте, химической обработки комплексообразователем - Трилоном Б, химической обработки смесью минеральных кислот - плавиковой и азотной или серной, многоразовой отмывки после каждой химической обработки указанными реагентами до нейтральной реакции, фильтрации и высушивания до получения чистого высокодисперсного углерода биологического происхождения. Способ позволяет получить исходный материал - углерод чистотой 99,9%, содержащий микроэлементы, характерные для конкретного индивидуума, который используется для дальнейшего выращивания персонифицированного ювелирного алмаза. 5 з.п. ф-лы, 3 табл.
Изобретение предназначено для получения мемориального алмаза (от бледно-желтого до голубого оттенка в зависимости от содержащейся в нем примеси), который идентифицируется с конкретным человеком и является предметом памяти о нем.
Изобретение предназначено для использования в ювелирной промышленности.
В настоящее время в химии известны несколько способов выделения высокодисперсного сажистого углерода "рыхлой" модификации из природных углеродсодержащих веществ, который и является основой для получения искусственного алмаза.
Удается выделить углерода из этих веществ в количестве не менее 90% (этот углерод содержит десятые доли H2, целые проценты хемосорбированного O2 и от сотых до десятых долей минеральных примесей), что явно недостаточно для получения искусственного алмаза.
Известен способ [1] обработки алмазосодержащих рудных концентратов, включающий загрузку, химическое обогащение концентрата путем нагрева в щелочи или их смесях, очистку продукта водой и кислотой, сушку и выгрузку целевого продукта. При этом химическое обогащение ведут путем однократной или многократной обработки в кислотах, а затем в щелочи при температуре (900-1000)°С в среде инертного газа. Обработку в кислотах осуществляют при температуре (50-150)°С. В качестве кислот используют одну из возможных: соляную, серную, азотную, плавиковую или их смесь.
Известен также способ [2] получения поликристаллических алмазов, включающий воздействие на углеродный материал сверхвысоким давлением при нагреве в области термодинамической стабильности алмаза.
Углеродный материал, используемый в данном способе, предварительно измельчают, разделяют по фракциям и подвергают очистке от примесей растворами кислот: кипящей хлорной (30-70)% в течение 10-20 часов; смесью соляной (плотностью 1,19 г/см3), азотной (плотностью 1,40 г/см3) и дистиллированной воды в соотношении 1:1:1 по объему в течение 2-4 часов; плавиковой (40%) в течение 1-2 часов; затем промывают дистиллированной кипящей водой с трехкратной ее заменой в течение 0,5 часа и сушат 10-20 часов при температуре (100-120)°С.
Наиболее близким по поставленным целям является способ [3], включающий формирование источника для роста алмаза из спектрально чистого графита и продукта обработки волос, содержащего тяжелые металлы Sr, Cd, Sn, Ba, Pb, Bi.
Алмаз выращивают из расплава методом перекристаллизации на затравку. Определяют соотношения концентраций этих элементов в выращенном алмазе и сравнивают с их содержанием в продукте обработки.
Персонифицированный выращенный ювелирный алмаз содержит выделенные из волос определенного человека или животного тяжелые металлы Sr, Cd, Sn, Ba, Pb, Bi, соотношения концентраций которых соответствуют соотношениям концентраций этих элементов в волосах данного человека или животного. Изобретение также представлено способом получения персонифицированного ювелирного алмаза, включающим обработку волос определенного человека или животного путем минерализации волос при температуре не выше 550°С до полного разложения органической компоненты, формирование источника для роста алмаза из спектрально чистого графита и продукта обработки волос, содержащего тяжелые металлы Sr, Cd, Sn, Ba, Pb, Bi, выращивание алмаза из расплава методом перекристаллизации на затравку, определение соотношения концентраций этих элементов в выращенном алмазе и сравнение их с содержанием в продукте обработки.
Главным отличительным признаком заявленного способа является то, что авторы отказались от известной схемы экстракции углерода из биологического материала и сократили время на извлечение углерода и фильтрацию раствора, из которого его извлекают.
Отличием заявляемого изобретения (способа) является то, что источник углерода для роста алмаза формируется только из предоставленного биологического материала без добавления спектрально чистого графита или углерода нанометричных размеров.
Таким образом, схемы и элементы, используемые при получении алмаза, разные: в известных изобретениях это продукты минерализации, содержащие тяжелые элементы, в заявленном - углерод биологического происхождения.
Технический результат заключается в получении исходного материала - углерода чистотой (99,9%) из представленного биологического материала, принадлежащего конкретному индивидууму, с получением ювелирного персонифицированного алмаза.
Поставленная задача решается извлечением чистого углерода путем очищения биологического материала (волосы, кожа, продукты сгорания) от всех неорганических примесей до почти чистого углерода (99,9%). Этот выделенный углерод и используется в дальнейшем при выращивании алмаза. Полученный таким образом алмаз содержит все микроэлементы, которые характерны для конкретного индивидуума.
Технический результат достигается способом получения ювелирного персонифицированного алмаза, включающим обработку биологического материала, принадлежащего конкретному индивидууму, и выращивание на его основе искусственного алмаза путем воздействия высоких давлений и температур, при этом обработку ведут путем механического измельчения, предварительной просушкой, химической обработкой в соляной кислоте, химической обработкой комплексообразователем - Трилоном Б, химической обработкой смесью минеральных кислот - плавиковой и азотной или серной, многоразовой отмывкой после каждой химической обработки указанными реагентами до нейтральной реакции, фильтрацией и высушиванием до получения чистого высокодисперсного углерода биологического происхождения. Механическое измельчение биологического материала проводят истиранием до фракции менее 500 мкм в течение 10-15 мин. Предварительную просушку проводят при температуре 300°С в течение 40 минут. Химическую обработку соляной кислотой осуществляют при соотношении обрабатываемого материала и реагента 1:1 по объему при кипячении. Обработку комплексообразователем осуществляют при соотношении обрабатываемого материала и реагента 1:3 по объему при кипячении с последующим отстаиванием. Химическую обработку смесью минеральных кислот осуществляют при соотношении обрабатываемого материала и реагента 1:2 по объему при кипячении в стеклоуглеродной посуде с обязательным перемешиванием.
Чистый высокодисперсный углерод получают путем обработки исходного биологического материала, включающей предварительное измельчение и термообработку с дальнейшей очисткой его от солей железа и кальция и др. примесей, таких как олово и алюминий, с использованием следующих технологических приемов (выделение, осаждение, фильтрация и пр.). От степени очистки материала будет зависеть оттенок полученного алмаза. Например, примеси азота придают алмазу мутно-желтый оттенок, а примеси бора - голубой.
В таблице 1 приведено содержание основных примесей в исходном биологическом материале*.
| Таблица 1. | |||||||||||
| Символ элемента | Примеси | ||||||||||
| Р | Mn | Mg | Fe | Na | Cu | Zn | Pb | Са | К | Si | |
| Содержание в мас.% | ˜10·10-1 | ˜1·10-3 | ˜1·10-3 | ˜1·10-3 | ˜1·10-2 | ˜1·10-3 | ˜1·10-3 | ˜1·10-3 | >10 | ˜1·10-1 | ˜1·10-2 |
| * данные полуколичественного спектрально-эмиссионного анализа. |
Обработку биологического материала, который идентифицируется с конкретным индивидуумом, проводят следующим образом.
Представленный биологический материал просеивают через сито 1000 мкм для удаления механических примесей и загрязнений, измельчают до фракции менее 500 мкм путем истирания в течение 10-15 минут с целью получения однородной массы и частичного увеличения удельной поверхности для более полного извлечения углерода. Размер частиц менее 500 мкм обусловлен тем, что крупные частицы, более 500 мкм, требуют длительной и неоднократной обработки кислотой, что значительно удлиняет процесс во времени. При незначительном истирании, менее 10 минут, возможно неполное вскрытие пробы. При длительном истирании материала, более 15 минут, происходит заметная агрегация частиц, что также крайне нежелательно.
Известная [4] дополнительная обработка биоматериала в печи Таммана в условиях инертной среды при температуре 800°С и выше приводит к значительным потерям углерода в исходном материале. Эту процедуру заменили обычной просушкой материала в сушильном шкафу при Т=300°С в продолжение 40 мин. Данная температура позволяет удалить низкотемпературные примеси кислорода, водорода и пр. без их химического разложения. При более высокой температуре и меньшем времени начинается выгорание углерода, что нежелательно, при более низких температурах и меньшем времени возможно неполное удаление газообразных примесей. Время более 40 мин экономически невыгодно.
Все параметры механической и термической обработок подобраны экспериментальным путем конкретно для представленного биологического материала.
Далее биоматериал обрабатывают концентрированной соляной кислотой в объемном соотношении 1:1 для более полного экстрагирования углерода и кипятят. Это соотношение кислоты и растворителя достаточно для начала химической реакции (при меньшем соотношении химическая реакция не пройдет до конца, при большем соотношении - процесс удлинится по времени). При этом образуются водорастворимые соли. Взвесь осаждают, удаляют максимально возможно жидкую часть (т.е. раствор), а осадок повторно обрабатывают этой же кислотой (процесс можно проводить, используя различные неорганические кислоты, такие как азотная, серная, соляная, плавиковая и др.). Тщательно декантируют несколько раз дистиллированной водой до нейтральной реакции. Этот этап позволяет довести содержание углерода в исходном материале до 90-95%.
Далее проводят обработку материала комплексообразователем для удаления примесей железа и кальция. Полученный осадок (взвесь) биоматериала заливают комплексообразователем (Трилон Б или любой другой, связывающий катионы железа и кальция) в соотношении 1:3 по объему. Избыток комплексообразователя дает возможность наиболее полного извлечения нежелательных элементов за один этап. Если приведенное выше соотношение будет меньше, это повлечет за собой неоднократную обработку материала.
Смесь нагревают до кипения и отстаивают. Образуются устойчивые водорастворимые комплексы железа и кальция. Жидкую часть вновь удаляют, а осадок тщательно промывают несколько раз дистиллированной водой до нейтральной реакции.
Следующий этап проводят строго в стеклоуглеродной посуде (марки СУ-2000, химически инертной к агрессивным средам). Это позволяет избежать внесения кремния в обрабатываемый материал. Обрабатывают оставшийся осадок смесью концентрированных минеральных кислот: плавиковая, азотная, серная и др. из расчета 1:2 по объему. Эта концентрация достаточна, т.к. на одну часть материала приходится две части кислот. Практика показала, что увеличение концентрации кислот не приводит к увеличению выхода конечного продукта, а только увеличивает расход материалов, что экономически невыгодно. При меньших концентрациях процесс затягивается во времени и требует неоднократного повторения. Кипячение проводят на слабом огне при периодическом перемешивании содержимого тигля стеклоуглеродной мешалкой. Вновь тщательно декантируют дистиллированной водой до нейтральной реакции, фильтруют.
Такое фильтрование взвеси с многоразовой обработкой смесью кислот позволяет за небольшой промежуток времени получить мелкодисперсный осадок, в котором содержание углерода составляет не менее 99,9%. Образовавшийся осадок аккуратно собирают и высушивают при комнатной температуре.
Качество полученного порошка проверяли на наличие примесей различными инструментальными методами - атомно-эмиссионным, рентгенофлуоресцентным, ИКС-методом.
По существующим традиционным представлениям для синтеза сверхтвердых модификаций углерода необходимы высокие давления и температуры. В дальнейшем из полученного углерода выращивали алмаз на стандартном специальном оборудовании в присутствии катализатора при высоких температурах и давлениях [5].
Таким образом, извлечение чистого углерода из биоматериала достигается исходя из условий подготовки этого материала, технологических приемов, соответствующих химических реакций, происходящих в растворе в процессе экстракции углерода.
Полученный материал является практически чистым углеродом, с незначительным содержанием Н2 и микропримесей, характерных для исходного биологического материала.
Данные обработанного материала приведены в таблице 2.
| Таблица 2 | |||||||
| Символ элемента | Р | Mn | Mg | Na | Са | К | Si |
| Содержание примесей в мас.%* | ˜1,0·10-5 | ˜1,9·10-5 | ˜3,0·10-6 | ˜1,0·10-5 | ˜1,5·10-5 | ˜1,7·10-5 | ˜2,0·10-6 |
| * Содержание газовых примесей не определялось |
Примеры конкретной реализации способа получения ювелирного персонифицированного алмаза позволяют лучше понять предложенное техническое решение.
Примеры, характеризующие сущность технического решения по экстракции углерода, приведены в таблице 3.
Примеры №1 и №5 выходят за рамки предложенного технического решения. Пример №6 выполнен по технологическому способу-прототипу.
| Таблица 3 Параметры обработки биологического материала и его конечные свойства | ||||||||
| № примера | Истирание | Предварительная просушка | Соотношение реагента и обрабатыв. материала | Соотношение расчета и обрабатыв. материала | Соотношение расчета и обрабатыв. материала | Содержание углерода в конечном биологическом материале, мас.% | ||
| размер частиц (мкм) | время (мин) | время (мин) | t °C | Используемая кислота соляная, % по объему | Используемый комплексообраз. - Трилон Б, % по объему | Используемая смесь минеральных кислот плавиковая и азотная или серная, % по объему | ||
| 1 | >500 | 5 | 30 | 200 | 1:0,5 | 1:2 | 1:1 | 90,0 |
| 2 | <500 | 10 | 40 | 300 | 1:1 | 1:3 | 1:2 | 99,9 |
| 3 | <500 | 12 | 40 | 300 | 1:1 | 1:3 | 1:2 | 99,9 |
| 4 | <500 | 15 | 40 | 300 | 1:1 | 1:3 | 1:2 | 99,9 |
| 5 | >500 | 20 | 50 | 400 | 1:2 | 1:4 | 1:3 | 93,0 |
| 6 | прототип | - | - | 500 | - | - | - | 90,0 |
Выращивание алмаза из чистого 99,9% углерода биологического происхождения, полученного по примерам №2, 3, 4, проводили в камере, где из источника углерода, окруженного железосодержащим катализатором, растет алмаз, необходимо поддерживать давление 50 тысяч атмосфер и температуру 1300 градусов по Цельсию.
Получили чистый прозрачный алмаз ювелирного качества с плотностью 3,50 г/см3, твердостью 10 и показателем преломления 2,45.
Чистота алмаза определялась атомно-эмиссионным спектральным методом, показатель твердости определяли по шкале Мооса, плотность определяли гидростатическим методом, показатель преломления рассчитывали по формуле Френеля.
Преимуществом заявленного изобретения (способа) по сравнению с известными способами является следующее:
- Изобретение (способ) позволяет отказаться от использования нескольких промежуточных шагов при очистке биологического материала с целью экстракции чистого углерода, что снижает себестоимость конечного продукта. По заявляемому изобретению используют выделенный углерод в высокодисперсном «активном» состоянии.
- Нет необходимости в применении сложного и дорогостоящего оборудования и сложной технологической оснастки.
- Небольшие энергозатраты.
- Небольшие эксплуатационные расходы.
- Обеспечена экологическая чистота
Список используемой литературы
1. Патент №2286945 RU, Кл. С01В 31/06 от 10.11 2006.
2. Патент №1775357 SU, Кл. С01В 31/06 от 15.11 1992.
3. Патент №2282584 RU, Кл. С01В 31/06 от 10.11 2006.
4. Патент №2223220 RU, Кл. С01В 31/06 от 01.11 2000.
5. US 2003017932 A1, 23.01.03.
1. Способ получения ювелирного персонифицированного алмаза, включающий обработку биологического материала, принадлежащего конкретному индивидууму, и выращивание на его основе искусственного алмаза путем воздействия высоких давлений и температур, отличающийся тем, что обработку ведут путем механического измельчения, предварительной просушки, химической обработки в соляной кислоте, химической обработки комплексообразователем - Трилоном Б, химической обработки смесью минеральных кислот - плавиковой и азотной или серной, многоразовой отмывки после каждой химической обработки указанными реагентами до нейтральной реакции, фильтрации и высушивания до получения чистого высокодисперсного углерода биологического происхождения.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что механическое измельчение биологического материала проводят истиранием до фракции менее 500 мкм в течение 10-15 мин.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительную просушку проводят при температуре 300°С в течение 40 мин.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что химическую обработку азотной кислотой осуществляют при соотношении обрабатываемого материала и реагента, равном 1:1, при кипячении.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку комплексообразователем осуществляют при соотношении обрабатываемого материала и реагента, равном 1:3, при кипячении, с последующим отстаиванием.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что химическую обработку смесью минеральных кислот осуществляют при соотношении обрабатываемого материала и реагента, равном 1:2, при кипячении в стеклоуглеродной посуде с обязательным перемешиванием.
