Схема CVD синтеза: Метан CH4 и водород H2 под действием температуры и излучения распадаются на радикал метила (-CH3) и атомарный водород H. Метил (-CH3) захватывается кристаллической решеткой алмаза (С) и в дальнейшем теряет собственные атомы водорода под действием внешнего атомарного водорода в плазме
Ученые из НИУ ВШЭ, РАН и Сколтеха подсчитали актуальные удельные энергозатраты при производстве алмазов традиционным (добыча) и инновационными (синтез) способами. В зависимости от технологии на производство 1 карата алмазов расходуется от 36 до 215 кВт*ч энергии. Оказалось, что не все технологии синтеза алмазов превосходят их добычу по энергоэффективности. Результаты исследования опубликованы в журнале Energies.
Энергозатраты при производстве алмазов служат индикатором общей эффективности производства: чем они ниже, тем меньше прямая и косвенная удельная экологическая нагрузка.
Добыча алмазов в Восточной Сибири и Южной Африке не выходит за пределы интервала 96–150 кВт*ч за карат, что примерно соответствует медианным значениям энергоэффективности. Кроме того, именно энергозатраты являются одной из основных статей операционных издержек при производстве алмазов.
На основе отчетности ведущих производителей алмазов — «АЛРОСА» и De Beers, а также лабораторных исследований процессов синтеза ученые из Высшей школы экономики, Института проблем нефти и газа Сибирского отделения РАН и Сколтеха проанализировали удельные энергозатраты при производстве алмазов за 2020 и 2021 годы.
«Благодаря актуализации данных мы видим общую динамику — она идет в сторону снижения энергозатрат. При этом гипотеза, что синтез алмазов априори является более экологически эффективным способом их производства, не подтвердилась: добыча алмазов как минимум не уступает по энергоэффективности распространенной технологии химического осаждения из газовой среды (CVD)», — комментирует автор статьи профессор ВШЭ Владислав Жданов.
CVD реактор (слева, на переднем плане) и HPHT пресс (справа) – из авторского архива Жданова В.Л.
Как подсчитали ученые, в зависимости от технологи на производство 1 карата алмазов расходуется от 36 до 215 кВт*ч энергии. При синтезе алмазов методом с открытым контуром охлаждения (High-Pressure-High-Temperature) — наиболее распространенным на сегодняшний день — энергозатраты составляют лишь около 30 кВт*ч на карат, а при синтезе методом химического осаждения из газовой среды удельный расход электричества может превышать 200 кВт*ч. Другими словами, энергоаппетиты методов синтеза алмазов значительно отличаются. При этом именно метод химического осаждения из газовой среды, несмотря на его большую удельную энергоемкость, позволяет получать алмазы со специальными свойствами, находящими применение, в частности, в области квантовой физики и термоядерной энергетики.
«Кроме двух вышеперечисленных технологий синтеза, существуют еще как минимум два метода получения алмазов в лабораторных условиях — детонация и кавитация, удельное энергопотребление которых не учитывалось в нашем исследовании, — отметил профессор Жданов. — Если уместно выделять фаворитов в гонке технологий синтеза, то моя ставка — на осаждение из газовой среды и кавитацию: считаю, что именно эти технологии обладают максимальным потенциалом роста».
Исследователи полагают, что оба способа производства алмазов — и добыча, и синтез — имеют значительный потенциал повышения энергоэффективности, что в конечном итоге положительно скажется на индустрии. Результаты исследования могут быть полезны как для производителей алмазов, так и для конечных потребителей, которым важен экологический аспект приобретаемой продукции.
Информация и фото предоставлены пресс-службой НИУ ВШЭ
Источник: scientificrussia.ru
