DE102011010422B4

DE102011010422B4 - Verfahren zur Herstellung von synthetischen Diamanten

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Publication number: DE102011010422B4
Application number: DE102011010422.4A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-02-04
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2023-01-19
Anticipated expiration: 2031-02-05
Also published as: WO2012104722A1; DE102011010422A1; US20120199792A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von synthetischen Diamanten, umfassend die folgenden Schritte:a. Kultivierung von Biomasse oder Vermehrung von Biomasse;b. Isolierung eines Teiles der Biomasse für die Verbrennung mit anschlieflender Vorbereitung für die Verbrennung,c. Verbrennung der Biomasse zur Asche,d. Umwandlung der Asche zu Diamanten mit Hilfe des Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahrens, der chemischen Gasphasenabscheidung, von Ultraschall, und/oder von Hochleistungsultraschall, dadurch gekennzeichnet,dass die Biomasse vor der Verbrennung oder die Asche nach der Verbrennung mit Katalysator-Substanzen in Form von Salzen derart versetzt werden, dass die Salze fein dispergiert in der Asche verteilt vorliegen unddass die Biomasse vor der Verbrennung oder die Asche nach der Verbrennung mit ein oder mehrere der folgenden Substanzen zugegeben wird:- Stickstoffbinder oder Stickstofffänger wie Titan oder Aluminium,- Kupfer als Hemmer der Titancarbid-Bildung ,- Gold, Bor, Phosphor, Silizium, Schwefel, Arsen, Selen, Tellur, und/oder deren Oxide,- Fullerene oder Zinksulfid,- Phosphide der Seltenerdmetalle,- Seltenerdmetalle.

Description

Diamant ist eine Modifikation von Kohlenstoff, dem Grundbaustein der organischen Materie. Diamanten werden als Schmuck sowie wegen ihrer außergewöhnlichen Härte für technische Zwecke vor allem als Bohr-, Schneid-, und Schleifmittel in Schleifscheiben, Bohrkronen und Glasschneidern, bzw. in Schneid- und Schleifwerkzeugen verwendet. Schleifmittel dienen für Schneiden, Mahlen bzw. Zermahlen oder Zerkleinern, sowie für Bohren und Polieren der Metalle, Gläser, Plastik, Beton und anderen Materialien. Diamantenpulver wird als Schleifpulver verwendet. Andere Anwendungsbereiche für Diamanten umfassen: medizinische Anwendung z. B. als und in Transplantaten bzw. Implantate, weil Kohlenstoff gut verträglich ist, als Zahnersatz und für Zahnfüllungen und Zahnkronen, Anwendungen in der Elektronik als Halbleiter, dabei enthalten Diamanten Bor.
Andere Anwendungen umfassen die Untersuchung von DNA-DNA Interaktionen, sowie für organische Chemie, für die Untersuchung der Redox-Reaktionen. Natürliche Vorkommen der Diamanten reichen nicht aus um den Bedarf an synthetischen Diamanten zu decken. Außerdem können natürliche Diamanten in Zukunft erschöpft werden.
Der Bedarf an synthetischen Diamanten sowohl als Schmuck als auch als Schleifmittel und für andere technische Anwendungen steigt bzw. wächst.
Es gibt verschiedene Methoden, synthetische Diamanten herzustellen. Die meisten der kommerziell erhältlichen synthetischen Diamanten werden Hilfe des sogenannten Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahrens (engl. HPHT = High-Pressure High Temperature, im Nachfolgenden HPHT genannt) hergestellt.
Bei diesem Verfahren wird Graphit, Asche oder ähnliche Kohlenstoff-reiche Substanz in einer vorzugsweise hydraulischen Presse bei Drücken von 5 bis 10 GPa (Gigapascal, 50.000-100.000 bar), vorzugsweise 6 GPa und Temperaturen von 1.500 Grad Celsius bis 4.000 Grad Celsius zusammengepresst. Unter diesen Rahmenbedingungen verwandelt sich der Kohlenstoff zu Diamant-Modifikation. Dieser Umwandlungsvorgang kann mit Hilfe von Katalysatoren wie Eisen-Carbonyl oder Metalltome Ni, Co, Fe bzw. Nickel, Kobalt oder Eisen beschleunigt werden und kann je nach Anwendung d. h. entweder für technische Zwecke oder für synthetischen Diamanten mit Edelsteinqualität, zwischen 3 und 21 Tage dauern.
Der Kohlenstoff, welcher von aufbereiteter Asche stammt, kann zu synthetischen Diamanten umgewandelt werden, wobei diese die Eigenschaften bzw. die Qualität eines Edelsteins erfüllen, können aber dabei erstens von natürlichen Diamanten z. B. durch spektroskopische Verfahren unterschieden werden und zweitens, können solche künstliche Diamanten in ihren Besonderheiten nicht mit natürlichen Diamanten konkurrieren. Die wirtschaftlich günstigen Bedingungen bzw. die notwendigen Druck- und Temperaturverhältnisse betragen 1.500 Grad Celsius und 60.000 bar. Die Umwandlungszeit beträgt zwei Wochen. D. h. der Kohlenstoff, welcher von Asche stammt, wird bei einer Temperatur von 1.500 Grad Celsius und unter einem Druck von 6 GPa zwei Wochen lang gepresst. Dabei ist nicht die Temperatur, sondern der Druck ausschlaggebend.
Die Erfindung der Herstellung synthetischer Diamanten mit Hilfe von Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahren geht auf Tracy Hall bei GE im Jahr 1955 zurück.
Die Herstellung synthetischer Diamanten gelang zwar im Jahr 1953 dem Physiker Erik Lundbad beim schwedischen Konzern ASEA (Allemanna Svenska Elektriska Aktiebolaget).
Für das HPHT-Verfahren gibt es hauptsächlich zwei Pressedesign: die Riemenpresse und die Kubikdruckpresse.
Diese Riemenpresse und die Kubikdruckpresse werden für die großtechnische Herstellung von synthetischen Diamanten genutzt, obwohl es auch andere Pressedesigns gibt.
Die Erfindung von Tracy Hall umfasst die Riemenpresse, wobei obere und untere Ambosse den Druck auf ein zylinderartiges Volumen bzw. Objekt ausüben und dabei wird das Objekt durch elektrischen Strom erhitzt. Der Druck im Zylinder wird radial durch Riemen kompensiert.
Eine Kubikdruckpresse hat sechs Ambosse, die gleichzeitig Druck auf ein Würfel-förmiges Objekt ausüben.
Für die Herstellung von Diamantpulver vermischt man Graphit mit dem Lösungsmittel (Metall) und bringt dieses Gemisch in eine vorbereitete Kapsel mit nichtleitenden Wänden. Der Druck wird auf das Gemisch ausgeübt und dann lässt man den elektrischen Strom durch das Gemisch fließen. Dabei wird die Temperatur des Gemisches erhöht, der Schmelzpunkt des Metalls wird erreicht und dies bezeichnet man als indirektes Schmelzen. Der Kohlenstoff kann dann über den dünnen Film des geschmolzenen Metalls vom Graphit zum wachsenden Diamant transportiert werden. Nach ca. 30 Minuten wird ein Großteil des Graphits in Diamant umgewandelt. Das Metall wird danach weggeätzt und das Diamantpulver kann zurückbleiben.
Die Temperaturgradientenmethode ist ebenfalls die HPHT-Technologie. Eine Kohlenstoffquelle wird in einer Kapsel durch Lösungsmittel wie z. B. Metall von Diamantkeimen, die sich am Boden der Kapsel befinden, getrennt. Die Temperatur wird durch eine Graphitheizung erhöht, wobei die Kapsel von der Graphitheizung umgegeben wird. Zwischen dem Zentrum der Kapsel und dem Boden existiert ein Temperaturgradient zwischen 20 und 50 Grad Celsius, der für das Ablaufen des Prozesses verantwortlich ist. Die hohe Temperatur führt Metall-Lösungsmittel zum Schmelzen und zum Lösen bzw. Vermischen mit Kohlenstoff, welcher am Boden abgeschieden wird und als Diamant auskristallisiert wird, d. h. die Keime wachsen zu größeren Kristallen.
Andere Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten umfassen: chemische Gasphasenabscheidung (engl. CVD = Chemical Vapour Deposition), Schockwellendiamantsynthese und die Hochleistungsultraschallsynthese. Bei der Schockwellendiamantsynthese werden durch kontrollierte Explosionen sehr hohe Drucke kurzfristig erreicht. Diese Technologie ist für die Herstellung von Diamantpulver in verschiedene Feinheiten geeignet.
Bei CVD wird in einer Vakuumkammer einige Mikrometer dicke CVD-Diamantschicht auf den Substraten, z. B. Hartmetallwerkzeugen, abgeschieden. Methan dient als Kohlenstoffquelle und liegt in Form vom Gasgemisch aus Methan und Wasserstoff vor.
Im Fokus bzw. Schwerpunkt dieser Erfindung liegt die Verbesserung des HPHT-Verfahrens und der Produktivität des HPHT-Verfahrens.
In Pressen mit unterschiedlichen Strukturen bzw. Architekturen (wie BARS, oder in Englisch' „Split-sphere apparatus“; „belt-type apparatus“, „piston-cylinder“ bzw. „Koben-Zylinder-Apparat“ oder „toroid apparatus“) werden natürliche Bedingungen für die Entstehung von natürlichen Diamanten teilweise nachgeahmt. Natürliche Diamanten entstehen sowohl aus Kohlenstoff anorganischer Herkunft (engl. Harzburgitic oder harzburgitische Diamanten) tief in Erdmantel als auch aus Kohlenstoff organischer Herkunft aus Detritus bzw. aus organischen Überresten (engl. Eclogitic oder eclogitische Diamanten).
In der Natur entstehender Diamant aus Kohlenstoff organischer Herkunft enthält auch anorganische Substanzen wie diese in Resten organischer Materie enthaltend sind. Das bedeutet, dass diese „Diamanten organischer Herkunft“ (DOH) oder in Englisch Organic origin diamonds (OOD) aus Gemischen enthaltend Kohlenstoff unter entsprechenden Druck- und Temperaturverhältnissen entstehen.
Dabei können die Metallatome wie z. B. Eisen oder Kupfer, die ursprünglich in solchen Gemischen (aus Überresten organischer Materie bzw. aus Zellen oder Organismen) vorhanden sind, als Katalysatoren wirken bzw. agieren. Diese Metalle sind in lebenden Zellen vorhanden und werden nicht vollständig durch geologische und geophysikalische Prozesse aus dem Kohlenstoffmatrix entfernt. Dieser natürlicher Entstehungsprozess wird in Herstellungsverfahren bisher nicht nachgeahmt, d. h. bei bekannten heutigen Varianten des HPHT-Verfahrens reinigt man zuerst eine Kohlenstoffquelle, d. h. man entfernt zunächst anorganische Substanzen vom Kohlenstoff, um Kohlenstoff zu reinigen bzw. um reinen Kohlenstoff d.h. getrennt oder befreit von anorganischen Atomen wie Metallatome oder Substanzen zu bekommen und dann wird Kohlenstoff wieder mit Metallen als Lösungsmittel und Katalysatoren (z. B. Gemisch enthaltend Eisen und Kobalt als Lösungsmittel, sowie Titan als Strickstoff-Fänger oder Binder und Kupfer, um die Entstehung von Titan-Carbid zu unterbinden) gemischt. Man reinigt also Kohlenstoff von Substanzen mit denen man den gereinigten Kohlenstoff danach wieder vermischt. Es ist nicht unbedingt notwendig und optimal, Substanzen wie Metallatome vom Kohlenstoff- bzw. C-haltigen Substanz oder Gemisch bzw. vom Kohlenstoffmatrix zu entfernen und die danach zum Kohlenstoff wieder zugeben.
Die dadurch gewonnenen synthetischen Diamanten enthalten noch mehr Verunreinigungen mit Metallen, als wenn diese Diamanten vom Anfang an aus Gemischen enthaltend Kohlenstoff organischer Herkunft und Metalle, durch HPHT-Verfahren hergestellt würden. Dementsprechend verlaufen auch die Umwandlungsprozesse bei bekannten HPHT-Verfahren langsamer, diese HPHT-Verfahren sind nicht intensiv, die Produktivität ist gering und die Zahlen der wachsenden Kristalle sind kontrolliert und gering. Diese Nachteile der bekannten HPHT-Verfahren können mit dieser vorliegenden Erfindung behoben werden.
Die ausgewählten HPHT-Verfahren, sowie CVD-Verfahren bzw. Verfahren für Herstellung synthetischer Diamanten sind in folgender Patentliteratur beschrieben worden: US3652220 (Lindstrom C. et al, „Method of manufacturing synthetic diamonds“), GB1300316 (Forschungsinstitut in der Ukraine, „Synthetic diamond production“) und EP2189555 (Linares R. C. et al „Method for producing synthetic diamond by CVD“).
Verbesserte HPHT-Apparatur oder Vorrichtung wurde in WO2007002402 (Chodelka, R. et al „An apparatus and method for growing a synthetic diamond“) beschrieben und diese Vorrichtung enthält noch zusätzlich eine Vorrichtung für Erzeugung des Vakuums, um vor allem Stickstoff aus dem Reaktionsraum zu entfernen, damit die zu synthetisierenden Diamanten nicht gelb oder gelblich werden, weil sonst Stickstoff den synthetischen Diamanten gelbe Farbe verleiht. Man kann aber auch durch Zugabe von Titan, Aluminium oder Zirconium, Stickstoff binden und Gelbfärbung verhindern. Somit kann man weiße oder farblose synthetische Diamanten bekommen. Synthetische Diamanten können von natürlichen Diamanten spektroskopisch durch hohe Metallgehalte unterschieden werden.
Synthetische Diamanten nach Stand der Technik haben hohe Metallgehalte. Die Metallkatalysatoren im HPHT-Verfahren umfassen Nickel, Kobalt, Eisen (auch Eisenverbindung Eisencarbonyl), Aluminium, Tantal, Mangan, Chrom oder ihre Gemische oder Legierungen.
Typischer Lösungsmittel-Metallgemisch umfasst Eisen, Kobalt sowie Titan zur Stickstoffbindung und Kupfer, um die Entstehung von Titancarbid TiC zu hemmen oder zu unterbinden.
Die Effizienz der Katalyse hängt von der Materialzusammensetzung und von der Verteilung der Metallatome im Kohlenstoffmatrix ab. D. h. geringere Mengen des Metalls oder der Metalle, die aber im Kohlenstoffmatrix feiner oder fein verteilt werden, können die Umwandlung zu Diamanten schneller katalysieren und größere Ausbeute kann erzielt werden.
Die US 2008/0145299 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung großer Diamanteinkristalle verschiedener Farben aus Kohlenstoff, der aus dem im Ektoderm vieler Lebewesen enthaltenen Keratin gewonnen wird. Es ist möglich, Kohlenstoff aus einem Menschen zu gewinnen, indem man eine Haarlocke abschneidet und karbonisiert und dann einem Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahren unterzieht.
Die US 2004/015428 A1 offenbart einen synthetischen Edelstein, der Elemente enthält, die aus vollständigen oder teilweisen menschlichen oder tierischen Überresten gewonnen wurden. Die Erfindung umfasst auch das Verfahren zur Herstellung synthetischer Edelsteine, die Kohlenstoff aus einem Wirbeltier enthalten, indem menschliche oder tierische Überreste eingeäschert werden, um Kohlenstoff in partikulärer und gasförmiger Form zu erzeugen. Der Kohlenstoff wird dann mit einer herkömmlichen Filtertechnik gefiltert. Anschließend werden der Kohlenstoff und andere Elemente gereinigt und graphetisiert. Anschließend werden die Edelsteine mit Hilfe herkömmlicher Sublimationstechniken hergestellt. Die synthetischen Edelsteine können mit Hilfe herkömmlicher Facettier- und Poliertechniken facettiert und poliert werden. Die Edelsteine können auch mit einem herkömmlichen Markierungssystem versehen werden.
Die AT 254 137 B offenbart Verfahren zur Herstellung synthetischer Diamanten aus kohlenstoffhaltigem Material unter Anwendung hoher Drücke und Temperaturen. Dabei wird ein nicht in Diamantform vorliegendes kohlenstoffhaltiges Material. z.B. amorphen Kohlenstoff oder Graphit, in inniger Mischung oder mindestens in Flächenberührung mit wenigstens einem Katalysator der Gruppe Eisen, Kobalt, Nickel. Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium. Chrom, Tantal, Mangan oder Verbindungen dieser Metalle, die sich bei den folgenden Reaktionsbedingungen zu Metall zersetzen, im Diamantbildungsbereich einem Druck von Wenigstens etwa 75000 at bei einer Temperatur von etwa 1200 bis etwa 2000°C so lange unterworfen, bis sich Diamanten gebildet haben.
Die DE 10 2007 012 438 A1 betrifft ein Verfahren zum ökologischen Anbau und Bearbeitung von Biomasse. Um zu erreichen, dass CO2 in der Atmosphäre in verstärktem Maße weiter reduziert wird und dass das so gebundene C02 auch sicher gelagert ist, ist wird die Biomasse in einem Pyrolisierungsschritt zu Holzkohle verkokt und danach zumindest teilweise eingelagert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von synthetischen Diamanten bereitzustellen, insbesondere die Qualität synthetischer Diamanten zu verbessern, den Anteil an Metallen in synthetischen Diamanten zu reduzieren, sowie die preisgünstige Herstellung synthetischer Diamanten in großen Mengen zu ermöglichen, die Produktivität des HPHT-Verfahrens zu erhöhen, die Ausbeute des HPHT-Verfahren zu erhöhen bzw. eine größere Zahl von wachsenden Kristallen im Kohlenstoffmatrix bzw. C-Matrix oder „Muttermatrix“ sowie den größeren Anteil des zu Diamant umgewandelten Kohlenstoffs bzw. des zu Diamant umgewandelten Ausgangsstoffes oder Ausgangsstoffgemische bzw. Ausgangskohlenstoffes (Kohlenstoffmatrix) zu ermöglichen, schnellere Umwandlungszeiten zu erreichen, und somit die kontinuierliche, intensivere (und wirtschaftlich günstige) Produktion synthetischer Diamanten zu ermöglichen. Oben steht „Die Aufgabe der Erfindung“ und danach sind mehrere Aufgaben aufgelistet. Dies ist kein Widerspruch, weil erstens die aufgelisteten Aufgaben Teile einer Aufgabe der qualitativen und quantitativer Verbesserung der synthetischen Diamanten und ihrer Erhältlichkeit und Herstellung sind, und alle diese Aufgaben hängen miteinander zusammen, d. h. die Qualitätsverbesserung führt gleichzeitig, gemäß dieser Erfindung zur besseren Erhältlichkeit durch intensivere und preisgünstige Produktion synthetischer Diamanten durch Erhöhung der Ausbeute, die wiederum von schnelleren Umwandlungszeiten und größerem Anteil des umgewandelten Kohlenstoffs und mit den größeren Zahlen der im Matrix wachsenden Kristallen abhängt. Mit anderen Worten beruht die bessere Qualität sowie die bessere Erhältlichkeit auf Erhöhung der Ausbeute (des HPHT-Verfahrens) und schnellere Umwandlungszeiten, wobei sowohl die größere Ausbeute als auch die schnellere Umwandlung durch geringere aber fein verteilte Metalle bzw. Metallmengen (d. h. verbesserte Qualität synthetischer Diamanten) ermöglicht werden.
Die Aufgabe oder die Gesamtheit der Aufgaben der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1; eine bevorzugte Ausgestaltung ergibt sich aus dem Anspruch 2 sowie der Beschreibung
Die Biomasse, die Asche oder sowohl Biomasse als auch die Asche können noch zusätzlich mit Graphit, amorphen Kohlenstoff, Ruß, Carbiden oder anderen Kohlenstoff-haltigen oder Kohlenstoff-reichen Substanzen vermischt werden, um den Kohlenstoffgehalt noch zusätzlich zu erhöhen.
In der Biomasse bzw. in der Asche werden Metalle bzw. Katalysatoren fein verteilt und somit wird optimale molekulare Anordnung der Metalle im Kohlenstoffmatrix erreicht. Eine solche Ausgangsmasse bzw. Ausgangskomposition zur Gewinnung von synthetischen Diamanten mit HPHT-Verfahren ähnelt sich der Synthese natürlicher Diamanten vor allem aus Detritus (biologische Zerfall- bzw. Zersetzungsprodukte).
In der Natur wird Kohlenstoff nicht zuerst von Metallen oder organischen oder anorganischen Substanzen oder Einschlüsse gereinigt und dann mit diesen wieder vermischt, wie dies bei HPHT-Verfahren bzw. Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahren gemäß dem Stand der Technik der Fall ist.
Die erneuerbaren Biomassen liefern kontinuierlich die Kohlenstoffquelle bzw. Kohlenstoff für die Herstellung von synthetischen Diamanten. In reinem Graphit können Metalle schwer optimal verteilt werden, dass die meisten somit hergestellten Diamanten braun waren, (weil Graphit schwarz ist und wegen unzureichender Verteilung der Katalysatormetallatomen wandelt nur ein geringer Teil des Graphits in Diamanten um). Es ist bekannt aus Asche kremierten Menschen sowie Pflanzen, Diamanten herzustellen. Diese erreichen nicht die Edelsteinqualität, die die natürlichen Diamanten haben.
Das amerikanische Unternehmen Lifegem beschäftigt sich damit, aus Menschenasche Diamanten als Memorial, als Symbol für den jeweiligen Menschen herzustellen.
Ähnliche Symbolakte, d. h. Herstellung synthetischer Diamanten als Symbole mittels HPHT-Verfahren, aus Pflanzen z. B. aus Rosen, sind von J. Hatleberg in seinen amerikanischen Patentanmeldungen US20040071623 und US20090202421 („Synthetic diamonds prepared from roses“) sowie US20100178233 („Synthetic diamonds prepared from organic materials“) beschrieben worden. Diese seine Patentanmeldungen sind im Hinblick auf die obenerwähnte Druckschrift US3652220 nicht neu sowie nicht erfinderisch, denn z. B. der Ausdruck „carbonaceous material“ für die Veröffentlichungen von Hatleberg neuheitsschädlich ist.
Die Asche (der Menschen oder Pflanzen) wird von anorganischen Resten, Einschlüssen oder Substanzen gereinigt.
Die Pflanzen sowie Pflanzenasche und Menschenasche werden nach den beschriebenen Verfahren bzw. nach Stand der Technik nicht modifiziert, um die optimale MaterialZusammensetzung bzw. optimale Anordnung, Dispergierung oder Verteilung vor allem der Metalle als Katalysatoren im Kohlenstoffmatrix zu erreichen, damit die Produktivität des HPHT-Verfahrens erhöht wird.
Zur Asche können folgende Substanzen zugegeben werden: Biomoleküle wie Aminosäuren wie Cystein und Methionin, Proteinen, Selenoproteine, Phosphorproteine, Nukleinsäuren wie DNA und RNA, Hyaloronsäure, Bakterien, Zellen oder Geweben oder ihre Gemische zugegeben werden.
Zur Biomasse können folgende Substanzen zugegeben werden: Kohle wie Anthrazitkohle, Steinkohle, Koks oder karbonisierte Steinkohle, Braunkohle, Erdöl, Benzin, Kerasin, Benzol, Erdgas, Torf, Cellulose, andere Polysaccharide, Lignin, Holz, Holzkohle oder karbonisiertes Holz, Kohlensäure, Cystein, Methionin oder ihre Gemische.
Die Biomasse kann aus Kohlen oder Zellen bzw. Organismen, Biomolekülen oder aus ihren Gemischen bestehen. Zellen und Organismen sind z. B. Bakterien E. coli, Moose wie Sphagnum spec, Algen wie Grünalgen, Chlamydomonas, Volvox, Braun- und Rotalgen, Pilzen wie Hefe S. cerevisiae, Pichia spec., Krebse, Krabben, Pflanzen wie Wasserpflanze Elodea, Flechten wie Cladonia.
Biomoleküle sind z. B. Nukleinsäuren DNA, RNA, Proteine, Lignin, Polysaccharide wie Cellulose, Hemicellulose, Stärke, Pektin, Chitin, Chitosan, Hyaloronsäure, Oligo- und Monosaccharide wie Trehalose, Glycose, Saccharose, Fructose, Fette, Öle, Lipide, Tocopherol, Anthocyane, Steroide, Steroidhormone, Pheromone, Testosteron, Dehydrotestosteron, Östrogen, Vitamine, Chlorophylle, sowie Chloroplasten als Zellorganellen, Häme, Hämoglobin, an Photosynthese partizipierende Moleküle, Phosphorsäureester wie Lecithine, Kephaline und Phosphatide. Biomolekülgemische umfassen vorzugsweise Gemische enthaltend Öl und Polysaccharide. Biomoleküle wie DNA, RNA und Proteine können ebenfalls in Gemischen enthaltet werden und können mit Verfahren wie PCR (engl. Polymerase Chain Reacion), In-vitro-Transkription, oder In vitro-Translation produziert bzw. vermehrt werden.
Sowohl Biomassen als auch Biomoleküle oder ihre Gemische können mit Kohlenwasserstoffhaltigen Substanzen, mit Kohlenstoff oder Kohlenstoff-reichen Substanzen oder mit Kohlenstoff-Kohlenwasserstoff-Gemischen versetzt werden, um den Kohlenstoffgehalt von Kohlenstoffmatrix zusätzlich zu erhöhen. Kohlewasserstoffe sind dabei z. B. Benzin, Erdöl, Benzol, Anthrazitkohle, Steinkohle, Koks oder karbonisierte Steinkohle, Braunkohle, Kerosin, Erdgas, Torf, Cellulose, andere Polysaccharide oder andere Zucker, Lignin, Holz, Holzkohle oder karbonisiertes Holz.
Kohlenstoff bzw. Kohlenstoffmodifikationen oder Kohlenstoff-Substanzen sind z. B. Asche, oder andere Asche, Graphit, Ruß, Kohlensäure, Carbonate, wie Calcium-Carbonat, Hydrogencarbonate, Diamanten als „Seed“ oder Basiszentren für das Wachstum synthetischer Diamantkristalle, Lonsdaleit, oder hexagonaler Diamant, Chaoit, Kimberlit, Lamproit, Fullerene, Glaskohlenstoff, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Carbon nanobuds, die die Eigenschaft von Kohlenstoffnanoröhren und Fullerenen kombinieren, Aktivkohle oder poröser Kohlenstoff entstanden durch behutsames Graphitieren von organischen Materialien wie Kokosnuss-Schalen, amorpher Kohlenstoff wie a-C, Diamond-like Carbon (DLC) und tetraedrisch amorpher Kohlenstoff ta-C, Kohlenstoffnanoschaum, Kohlenstoff-Aerogel, polykristalliner Diamant (englische Bezeichnung: „Polycrystalline Diamond, PCD“), Gemische aus stabilen Isotopen 12C und 13C.
Eine mögliche Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung (nicht beansprucht) enthält mindestens eine Hochdruckpresse wie Belt, BARS, TOROID, Kolben-Zylinder-Presse oder andere Presse, sowie mindestens eine Verbrennungsanlage und mindestens einen Bioreaktor. Diese Teile einer Vorrichtung sind in einem System integriert und können noch zusätzlich andere Teile bzw. Elemente oder Systeme enthalten. Diese umfassen z. B. ein elektronisches Meß- und Kontrollsystem, ein Trocknungssystem, oder Trocknungsanlage, ein Homogenisator bzw. Zerkleinerungs- oder Verfeinerungsvorrichtung für die Verfeinerung der Asche, Rührer im Bioreaktor, Vakuumvorrichtung bzw. Vakuumpumpe und Vakuumkammer, um Stickstoff zu entfernen und damit Gelbfärbung der Kristalle zu verhindern, Filter für die Abfilterung der Gase und Metalldämpfe.
Um die Biomasse schneller zu verbrennen, kann sie zuerst schneller getrocknet werden, Dies kann auch durch Zugabe der Trockenmittel wie Silicagel, Calciumchlorid, konzentrierte Schwefelsäure, Phosphorpentoxid, Magnesiumperchlorat, Glycerin, Glykole, sowie Trockenstoffe wie Metallseifen, Oxide, Hydroxide, Borate, Acetate und Carbonate von Kobalt, Mangan, und Blei sowie in Verbindungen damit von Calcium, Cer, Eisen,
Zink und Zirconium erfolgen. Von der Komposition der Metalle im Kohlenstoffmatrix hängen die Eigenschaften der resultieren synthetischen Diamanten ab. Die Diamant-Ausbeute hängt von der Materialzusammensetzung bzw. Stoffzusammensetzung sowie von den Reaktionsbedingungen ab. Die gleichmäßige Verteilung der Metalle z. B. in Form von Salzen bleibt ähnlich sowohl in der Ausgangsmaterialzusammensetzung oder Kohlenstoffmatrix vor der Hochdruck-Hochdrucktemperatur-Behandlung bzw. HPHT-Prozess als auch danach in resultierenden synthetischen Diamanten. Die Diamanten, die durch Salzanreicherung gemäß der Erfindung entstehen, können als Salzdiamanten bezeichnet werden und haben die allgemeine Formel CMeX, wobei X ein Halogen wie Fluor, Chlor, Brom oder lod ist, und Kohlenstoffmatrix bzw. Kohlenstoff ist fein oder feinst mit Metallhalogenid oder Metallhalogeniden bzw. mit mindestens einem Metallhalogenid bzw. Salz dispergiert. Diese Salze sind also im Kohlenstoff fein verteilt. Die Erweiterung der Formel CMeX sind die Formeln CMeXA, CMeXE und CMeXAE, wobei E andere Elemente oder Substanzen umfasst und A umfasst die Nichtmetalle, Phosphor, Silicium, Bor, Schwefel, Selen, Arsen und Antimon.
Das Verfahren muss nicht unbedingt in einer Vorrichtung ausgeführt bzw. durchgeführt werden, d. h. die Schritte des Verfahrens gemäß der Erfindung können räumlich getrennt durchgeführt werden und können auch Trocknung, Zermahlung bzw. Zerkleinern der Asche umfassen.
Alternativ kann die Asche zu Methan (mit bekannten chemischen Verfahren wie z. B. mit Hydrierung umgewandelt und anschließend mit Wasserstoffgas vermischt werden, um synthetische Diamanten mit Hilfe der chemischen Gasphasenabscheidung (englische Bezeichnung CVD = chemical vapour deposition) herzustellen.
Die Biomasse kann auch gesammelt und aufbereitet werden. Die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung kann Filter enthalten, um Gase bzw. Metalldämpfe abzufangen bzw. abzufiltern, die durch Verbrennung der Biomasse oder mit Metallen angereicherten oder versetzten Biomasse entstehen.
Referenzbeispiele:
Referenzbeispiel 1
Zwanzig Liter der Algen-Biomasse aus Chlamydomonas spec. werden mit 4 kg Salzgemisch aus je gleichen Teilen von Eisenchlorid, Kupferchlorid, Nickelchlorid und Aluminiumchlorid versetzt bzw. vermischt und mit 1 kg Calciumchlorid getrocknet, und im Ofen zur Asche verbrannt. Die Asche wird in Kapsel der HPHT-Presse („beit“-Vorrichtung) für das Zusammenpressen unter Druck von 6 GPa und Erhitzen von 2.100 Grad Celsius für zwei Tage oder 48 Stunden gebracht. Danach werden die größeren Diamanten, jeweils von ca. 1 Karat und Diamantpulver aussortiert bzw. isoliert. Die Isolierung wird mit verdünnter Schwefelsäure vereinfacht.
Referenzbeispiel 2
Das Beispiel ist ähnlich mit dem Ausführungsbeispiel 1, wobei die Biomasse ein 1:1 Gemisch aus Algen Chlamydomonas spec. und Pilzen bzw. Hefe S. cerevisiae darstellt, mit Eisenchlorid, Nickeliodid, Kupferiodid und Titaniodid-Salzen versetzt ist und die Zeit der Hochdruck-Hochtemperatur-Phase zwei Tage bzw. 48 Stunden beträgt. Die Verbrennung der Biomasse erfolgt mit der Filterung der entstehenden Gase bzw. Gasgemische.
Referenzbeispiel 3
Dieses Ausführungsbeispiel ist ähnlich mit dem Ausführungsbeispiel 2, wobei die Biomasse, Algenmasse ist und diese wird mit Gold in Form von fein verteiltem Pulver versetzt. Die HPHT-Zeit beträgt 24 Stunden.
Referenzbeispiel 4
Dieses Referenzbeispiel ist ähnlich mit den Referenzbeispielen 2 und 3, wobei die Algen-Biomasse mit Goldsalz Goldchlorid versetzt wird.
Referenzbeispiel 5
Dieses Ausführungsbeispiel ist ähnlich mit den Ausführungsbeispielen 3 und 4, wobei die Algen-Biomasse sowohl mit Goldsalz bzw. einem Goldpulver und mit Goldchlorid versetzt wird. Die dadurch gewonnenen Diamanten können als Golddiamanten oder goldene Diamanten bezeichnet werden.
Referenzbeispiel 6
Dieses Ausführungsbeispiel ist ähnlich mit dem Ausführungsbeispiel 2, wobei die Biomasse, Algen-Biomasse ist und diese mit Silberjodid versetzt wird. Die dadurch gewonnene bzw. hergestellte Diamanten können als Silberdiamanten oder silberne Diamanten bezeichnet werden.
Referenzbeispiel 7
Dieses Ausführungsbeispiel ist ähnlich mit dem Ausführungsbeispiel 6, wobei die Algen-Biomasse Gold und Silber enthält bzw. mit feinem Goldpulver, Silberpulver und Silberiodid versetzt wird.
Referenzbeispiel 8
Dieses Ausführungsbeispiel ist ähnlich mit dem Ausführungsbeispiel 7, wobei die Algen-Biomasse mit Gold bzw. Goldpulver sowie Silberiodid versetzt wird. Die dadurch gewonnenen Diamanten oder diamantartige Materialien können als Gold-Silber-Diamanten berechnet werden.
Auch Kupfer-, Vanadium-, Platin-, Lithium-, Diamanten und andere Metall-haltige Diamanten sind nach diesen Ausführungsbeispielen und Verfahren und Vorrichtungen gemäß dieser Erfindung herstellbar.
Nicht nur Asche, sondern auch z. B. Glaskohlenstoff oder amorpher Kohlerstoff oder ihre Kombinationen können mit Metallsalzen fein versetzt oder angereichert werden, um die optimale Verteilung im C-Matrix oder Kohlenstoffmatrix für die Umwandlung zu Diamanten zu ermöglichen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von synthetischen Diamanten, umfassend die folgenden Schritte: a. Kultivierung von Biomasse oder Vermehrung von Biomasse; b. Isolierung eines Teiles der Biomasse für die Verbrennung mit anschlieflender Vorbereitung für die Verbrennung, c. Verbrennung der Biomasse zur Asche, d. Umwandlung der Asche zu Diamanten mit Hilfe des Hochdruck-Hochtemperatur-Verfahrens, der chemischen Gasphasenabscheidung, von Ultraschall, und/oder von Hochleistungsultraschall, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse vor der Verbrennung oder die Asche nach der Verbrennung mit Katalysator-Substanzen in Form von Salzen derart versetzt werden, dass die Salze fein dispergiert in der Asche verteilt vorliegen und dass die Biomasse vor der Verbrennung oder die Asche nach der Verbrennung mit ein oder mehrere der folgenden Substanzen zugegeben wird: - Stickstoffbinder oder Stickstofffänger wie Titan oder Aluminium, - Kupfer als Hemmer der Titancarbid-Bildung , - Gold, Bor, Phosphor, Silizium, Schwefel, Arsen, Selen, Tellur, und/oder deren Oxide, - Fullerene oder Zinksulfid, - Phosphide der Seltenerdmetalle, - Seltenerdmetalle.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch unter Verwendung einer Vorrichtung, die Vorrichtung umfasst - zumindest einen Bioreaktor, - zumindest eine Verbrennungsanlage und - zumindest eine Anlage zur Erzeugung von hohem Druck und hoher Temperatur, die allesamt in einem Gerät integriert oder angeordnet sind.