Grafitul, ca alotrop al carbonului, posedă multe proprietăți speciale datorită structurii sale cristaline unice. Cristalele de grafit aparțin sistemului hexagonal și au un aranjament stratificat. În fiecare strat, atomii de carbon sunt legați între ei într-un aranjament unic, cu șase atomi de carbon formând inele hexagonale regulate pe același plan și fiecare atom de carbon fiind înconjurat de trei atomi de carbon adiacenți. Cei doi electroni 2p perpendiculari pe planurile atomului de carbon, care nu sunt implicați în hibridizare, se pot mișca liber în rețeaua cristalină și se pot suprapune pentru a forma legături π, dând astfel grafitului o bună conductivitate electrică și termică.
Grafitul este un conductor excelent, având nu numai o conductivitate termică bună, ci și o conductivitate electrică remarcabilă. În același timp, prezintă o rigiditate și o rezistență regulate ridicate, menținându-și caracteristicile robuste și stabile chiar și în medii cu temperatură ridicată-mai mare de 3600 de grade . Grafitul este, de asemenea, foarte favorizat pentru proprietățile sale excelente de lubrifiere, inerția chimică și rezistența la coroziune, făcându-l aplicabil pe scară largă în numeroase domenii [3].
Pe baza diferitelor forme cristaline de grafit natural, acesta poate fi clasificat industrial în grafit cristalin și grafit afanitic (amorf). Printre acestea, grafitul cristalin cu o cristalinitate mai bună poate fi subdivizat în continuare în grafit în bucăți (grafit cristalin masiv) și grafit în fulgi.
Grafitul în fulgi apare în mod obișnuit ca cristale individuale sau ca intercreșteri paralele de cristale sub formă de foi subțiri și fulgi. Forma sa cristalină este de obicei bine-dezvoltată și apare adesea sub formă de agregate, cu dimensiunile granulelor de cristal care depășesc în general 1 μm. Minereul de grafit în fulgi extras în mod natural are un grad relativ scăzut, dar, în comparație cu alte tipuri de grafit, prezintă o flotabilitate, lubrifiere și plasticitate superioare, ceea ce conferă grafitului în fulgi o valoare economică mai mare. Grafitul bulgăre are de obicei un conținut de carbon de aproximativ 60%-65%, unele ajungând la peste 80%, dar plasticitatea și lubrifierea sa sunt inferioare celor ale grafitului în fulgi.
Datorită cristalinității sale slabe, morfologia cristalină a grafitului afanitic este vizibilă doar la microscop electronic și pare pământească cu ochiul liber; prin urmare, este cunoscut și ca grafit pământesc, amorf sau microcristalin. Grafitul afanitic are un luciu relativ scăzut, iar lubrifierea sa nu se poate compara cu cea a grafitului în fulgi. Cu toate acestea, nota sa este în general mai mare, unele ajungând chiar la peste 90% [4].
2. Aplicații ale grafitului
Grafitul natural posedă proprietăți fizico-chimice excelente, ceea ce duce la o gamă largă de aplicații. Joacă un rol de neînlocuit și semnificativ în numeroase industrii, inclusiv metalurgie, lubrifiere, etanșare, energia nucleară și stocarea energiei.
În industria metalurgică, grafitul natural este o materie primă de bază pentru refractare și aplicații de turnătorie. Folosind buna conductivitate electrică și rezistența la temperatură înaltă-, electrozii de grafit servesc drept componente cheie în fabricarea oțelului în cuptorul cu arc electric, adaptându-se în mod fiabil la condițiile de topire la-înaltă temperatură. În același timp, materialele refractare pe bază de grafit, cu rezistența lor fiabilă la temperatură ridicată și rezistența la eroziune, sunt utilizate pe scară largă ca structuri de căptușeală în oțel, topirea metalelor neferoase și diferite cuptoare metalurgice la temperatură înaltă, făcându-le materiale de bază indispensabile pentru industria metalurgică [5].
În domeniul lubrifierii, lubrifianții sunt indispensabili în viața modernă, utilizați în automobile, nave, avioane și mașini-unelte. În anumite condiții speciale, cum ar fi temperaturile ridicate, performanța uleiurilor lubrifiante poate fi semnificativ diminuată, rezultând adesea o lubrifiere insuficientă. Forța de legătură dintre straturile de grafit este slabă, permițând alunecarea ușoară sub forța externă; prin urmare, grafitul prezintă proprietăți excelente de lubrifiere și este un lubrifiant solid ideal. În plus, datorită rezistenței sale ridicate la temperatură, lubrifianții pe bază de grafit pot funcționa eficient în medii extreme, cum ar fi temperaturile ridicate, obținând rezultate bune [6].
În domeniul etanșării, materialele de etanșare din grafit, datorită rezistenței remarcabile la coroziune, rezistenței la temperaturi ridicate-și stabilității structurale, își găsesc aplicații pe scară largă în industrii precum inginerie chimică, mașini și electronice. Pe baza structurii sale unice în straturi și a proprietăților bune de etanșare, grafitul natural se poate adapta în mod eficient la condițiile de etanșare în diverse echipamente mecanice, menținând performanța stabilă în medii complexe și dure și prelungind semnificativ durata de viață a componentelor de etanșare [5]. În plus, comprimarea grafitului expandat poros, de-suprafață-energie ridicată poate produce foi de grafit flexibile. Datorită rezistenței lor ridicate la temperatură, rezistenței la coroziune, stabilității chimice și a unei anumite rezistențe mecanice, aceste foi pot funcționa eficient în condiții speciale, câștigând grafitului flexibil reputația de „rege al etanșării” [6].
În sectorul energiei nucleare, grafitul natural de înaltă{0}puritate este materia primă de bază pentru fabricarea moderatorilor de neutroni în reactoarele nucleare. Performanța sa excelentă de moderare a neutronilor și stabilitatea structurală-la temperatură ridicată îl fac un material cheie pentru centralele nucleare și pentru unitățile de cercetare nucleară. În anumite tipuri de reactoare nucleare, grafitul natural poate servi și ca material structural, valorificând rezistența mecanică bună, rezistența la radiații și rezistența la temperatură ridicată pentru a menține un serviciu stabil, pe termen lung, în condiții extreme de temperatură ridicată și radiații intense, fără a se deforma sau a defecta ușor, asigurând astfel funcționarea în siguranță a echipamentului nuclear [5].
În domeniul stocării energiei, odată cu dezvoltarea rapidă a noii industrii energetice, cererea de pe piață pentru grafit natural continuă să se extindă. Creșterea rapidă a industriei bateriilor cu litiu a determinat în mod semnificativ cererea de pe piață pentru materiale anodice, iar grafitul natural, cu proprietățile sale electrochimice unice, este o materie primă preferată pentru fabricarea anozilor bateriilor cu litiu. În prezent, numeroase domenii, cum ar fi vehiculele de energie nouă, stațiile de bază de comunicații mobile și microrețelele se bazează pe bateriile cu litiu ca sursă de energie de bază, ceea ce asigură că materialele anodici ale bateriilor cu litiu din grafit vor continua să posede o competitivitate puternică în industrie pe viitoarea piață a energiei noi [7].
3. Metode de purificare cu grafit
În prezent, metodele de purificare a grafitului natural pot fi clasificate în metode fizice și chimice. Printre acestea, metodele de purificare fizică includ în principal metodele de flotație și de-temperatură înaltă; metodele de purificare chimică includ metoda acidului-alcalin, metoda acidului fluorhidric și metoda prăjirii cu clorurare.
3.1 Metoda de flotare
Metoda de flotație este un proces de prelucrare a mineralelor care separă mineralele solide dintr-o suspensie apoasă pe baza diferențelor dintre proprietățile fizice și chimice ale suprafeței lor. Suprafața grafitului nu este ușor umezită de apă, oferindu-i o bună flotabilitate și permițând separarea ușoară de impurități, făcându-l potrivit pentru purificare prin flotație [8].
Fluxul general al procesului al metodei de flotație include în principal trei etape de bază: măcinare, separare prin flotație și recirculare medie. În primul rând, minereul de grafit natural brut este zdrobit și măcinat. Prin măcinare mecanică se realizează eliberarea prealabilă a monomerilor de grafit de impuritățile gangă, punând bazele operațiunilor ulterioare de separare. După măcinare, pulpa de grafit este amestecată și înmuiată cu reactivi chimici specifici. Prin modificarea reactivului, diferențele de tensiune superficială ale grafitului sunt optimizate, lărgind decalajul de flotabilitate dintre grafit și mineralele de impurități și creând condiții pentru îndepărtarea eficientă a impurităților. Ulterior, un proces de flotare combinat care implică mai multe etape de degroșare, curățare și curățare este folosit pentru a îndepărta progresiv componentele impurităților din pulpă, crescând efectiv puritatea concentratului de grafit. În timpul procesului de flotație, se adaugă reactivi de flotație adecvați pentru a îmbunătăți în continuare flotabilitatea grafitului și pentru a îmbunătăți eficiența separării. Colectoarele industriale utilizate în mod obișnuit includ motorină, kerosen, ulei de pin etc. [9].
Metoda de flotație, ca prim pas în purificarea grafitului, se aplică în primul rând pretratării grafitului cu conținut scăzut de-carbon,-fulgi mari. Acest proces are un sistem tehnologic matur, echipament de suport simplu, consum global redus de energie și costuri de producție controlabile, oferind avantaje economice semnificative. Este o tehnologie de purificare brută cu grafit foarte rentabilă-în aplicații industriale. Cu toate acestea, metoda de flotație are limitări notabile și nu este potrivită pentru purificarea eficientă a grafitului microcristalin. În comparație cu grafitul cristalin, grafitul microcristalin are, în general, un conținut general mai scăzut de impurități, dar starea sa unică de apariție a impurităților limitează semnificativ eficacitatea eliminării impurităților prin flotație. Particulele de grafit microcristalin sunt extrem de fine și strâns asociate cu mineralele gangue, adesea încorporate în mineralele argiloase. În timpul măcinarii, este dificil să se obțină o eliberare suficientă a monomerilor de grafit din impurități, ceea ce duce la o reducere semnificativă a eficienței separării prin flotație. În cele din urmă, este dificil să se obțină concentrate de grafit de{10}}puritate ridicată, nereușind să îndeplinească cerințele aplicațiilor industriale-de înaltă calitate. În rezumat, procesul de flotare cu grafit poate servi doar ca metodă de purificare primară, utilizată în principal pentru a îndepărta majoritatea impurităților ușor separabile din minereul brut de grafit, reducând eficient consumul de reactiv și pierderile de energie în procesele ulterioare de purificare profundă și oferind o bază de materie primă de înaltă calitate pentru rafinare ulterioară [10-11].
3.2 Metoda de temperatură-înaltă
Metoda-de temperatură ridicată utilizează diferența de puncte de fierbere dintre grafit (punct de topire ridicat) și impurități (punct de fierbere mai scăzut). Sub protecția unei atmosfere inerte, temperatura este controlată într-un interval adecvat, determinând ca impuritățile cu punct de fierbere mai scăzut, cum ar fi oxizii metalici și silicații, să se vaporizeze și să scape mai întâi, în timp ce carbonul cu punct de topire înalt rămâne în formă solidă, realizând astfel separarea și purificarea profundă [12].
Materiile prime utilizate în metoda de temperatură înaltă sunt, de obicei, concentrate de grafit obținute după purificarea prin flotație sau grafit cu conținut ridicat de carbon obținut după purificarea chimică, cu conținuturi de carbon cuprinse în general între 95% și 99% [13]. Această metodă poate obține purități de grafit de aproximativ 99,995%. Deși poate elimina în mod eficient impuritățile încorporate în rețeaua de grafit fără a distruge structura grafitului, îmbunătățind eficient calitatea produsului, este adesea aplicabilă numai sectoarelor de tehnologie de vârf, cum ar fi apărarea, industria nucleară și aerospațială. Acest lucru se datorează faptului că dezavantajele metodei sunt semnificative: necesită echipamente solicitante, consum mare de energie și implică investiții substanțiale și costuri operaționale, făcând-o nefavorabilă pentru producția la scară largă-și servind în primul rând produse-de grafit de ultimă generație [12].
3.3 Metoda acidului alcalin
Metoda acidului alcalin-, care constă în două procese-fuziune alcalină și leșiere cu acid-în secvență în funcție de fluxul industrial, este o metodă relativ eficientă pentru purificarea grafitului natural. Proces de fuziune alcalină: Utilizând rezistența grafitului la acizi și alcalii, grafitul și alcalii sunt amestecate uniform într-o anumită proporție și apoi calcinate la temperatură ridicată. În stare topită, impuritățile precum aluminosilicații, cuarțul și silicații din grafit reacţionează chimic cu alcalii, formând silicați solubili în acid-sau-solubili în apă, care sunt apoi îndepărtați prin spălare cu apă. Procesul de leșiere cu acid: Grafitul-alcalin și hidroxizii sunt supuși unei leșiere la cald cu o soluție de acid clorhidric de o concentrație specifică, transformând oxizii metalici în săruri solubile. În cele din urmă, prin procese precum spălarea și deshidratarea, se obține grafit purificat.
În prezent, metoda acidului-alcalin este metoda de purificare adoptată în mod obișnuit de producătorii de grafit de-puritate ridicată din China. Cele mai mari avantaje ale sale includ investiție inițială scăzută, echipament de reacție simplu, versatilitate puternică, adaptabilitate bună la proces și puritate și calitate relativ ridicată a produselor obținute. Dezavantajele sunt necesitatea calcinării la temperaturi ridicate, uzura semnificativă a energiei și a echipamentelor, eficiența relativ scăzută de purificare, pierderea substanțială a mineralelor valoroase și potențialul de poluare a mediului [14].
3.4 Metoda acidului fluorhidric
Acidul fluorhidric (HF) este un acid puternic care poate reacționa cu majoritatea impurităților din grafit. Cu toate acestea, grafitul are în mod obișnuit o rezistență bună la acid la temperatura camerei și este stabil din punct de vedere chimic, în special prin faptul că nu reacționează cu acidul fluorhidric. Prin înmuierea grafitului în acid fluorhidric, permițând reacția în timp, urmată de spălare și filtrare, rămâne grafit de puritate relativ ridicată-.
Purificarea folosind metoda acidului fluorhidric poate elimina majoritatea impurităților din grafit, obținând grafit de-puritate ridicată la un cost scăzut. Este una dintre cele mai simple și mai eficiente metode de purificare a grafitului. Cu toate acestea, acidul fluorhidric este foarte toxic, prezentând pericole semnificative de siguranță în timpul procesului de producție, ceea ce împiedică adoptarea și aplicarea sa pe scară largă în producția industrială [15].
3.5 Metoda de prăjire prin clorinare
Metoda de prăjire prin clorurare presupune adăugarea unei anumite cantități de reductor (gaz de clor, tetraclorura de carbon) la grafit și prăjirea la temperaturi ridicate într-o anumită atmosferă. Impuritățile de oxid reacționează cu clorul gazos într-o reacție de clorinare, transformându-le în cloruri. Impuritățile precum silicații, aluminosilicații și cuarțul din grafit se descompun în oxizi precum dioxidul de siliciu, oxidul de aluminiu, oxidul de fier și oxidul de calciu la încălzire la temperatură înaltă-. Deoarece punctele de fierbere ale acestor cloruri sunt relativ scăzute, ele se vaporizează și scapă în timpul procesului de prăjire la temperatură înaltă-, obținând astfel îndepărtarea și purificarea impurităților.
Metoda de prăjire prin clorinare elimină impuritățile prin adăugarea de gaze reducătoare precum clorul pentru a transforma impuritățile în forme de clorură. Această metodă oferă o eficiență ridicată de purificare și rate bune de recuperare. Totuși, clorul gazos este un gaz periculos dăunător mediului, iar procesul se caracterizează prin instabilitate, ceea ce limitează dezvoltarea acestuia [16].