Grafitt, som en allotrop av karbon, har mange spesielle egenskaper på grunn av sin unike krystallstruktur. Grafittkrystaller tilhører det sekskantede systemet og har et lagdelt arrangement. I hvert lag er karbonatomer koblet til hverandre i et unikt arrangement, med seks karbonatomer som danner vanlige sekskantede ringer på samme plan, og hvert karbonatom er omgitt av tre tilstøtende karbonatomer. De to 2p-elektronene vinkelrett på karbonatomplanene, som ikke er involvert i hybridisering, kan bevege seg fritt innenfor krystallgitteret og overlappe for å danne π-bindinger, og dermed gi grafitt god elektrisk og termisk ledningsevne.
Grafitt er en utmerket leder, og har ikke bare god varmeledningsevne, men også enestående elektrisk ledningsevne. Samtidig viser den høy regelmessig stivhet og styrke, og opprettholder sine robuste og stabile egenskaper selv i høye-temperaturmiljøer over 3600 grader. Grafitt er også svært foretrukket for sine utmerkede smøreegenskaper, kjemiske treghet og korrosjonsbestandighet, noe som gjør den allment anvendelig på en rekke felt [3].
Basert på de forskjellige krystallinske formene for naturlig grafitt, kan den klassifiseres industrielt i krystallinsk grafitt og afanitisk (amorf) grafitt. Blant disse kan krystallinsk grafitt med bedre krystallinitet videre deles inn i klumpgrafitt (massiv krystallinsk grafitt) og flakgrafitt.
Flakgrafitt forekommer typisk som individuelle krystaller eller som parallelle krystallsammenvekster i form av tynne ark og flak. Dens krystallinske form er vanligvis godt-utviklet og forekommer ofte som aggregater, med krystallkornstørrelser som vanligvis overstiger 1 μm. Naturlig utvunnet flakgrafittmalm har en relativt lav karakter, men sammenlignet med andre typer grafitt viser den overlegen flyteevne, smøreevne og plastisitet, noe som generelt gir flakgrafitt høyere økonomisk verdi. Klumpgrafitt har typisk et karboninnhold på rundt 60%-65%, hvorav noen når over 80%, men plastisiteten og smøreevnen er dårligere enn de til flakgrafitt.
På grunn av dens dårlige krystallinitet er krystallmorfologien til afanitisk grafitt bare synlig under et elektronmikroskop, og den virker jordaktig med det blotte øye; derfor er det også kjent som jordaktig, amorf eller mikrokrystallinsk grafitt. Afanitisk grafitt har en relativt lav glans, og dens smøreevne kan ikke sammenlignes med flakgrafitt. Imidlertid er karakteren generelt høyere, med noen som til og med når over 90 % [4].
2. Bruk av grafitt
Naturlig grafitt har utmerkede fysisk-kjemiske egenskaper, noe som fører til et bredt spekter av bruksområder. Det spiller en uerstattelig og betydelig rolle i en rekke bransjer, inkludert metallurgi, smøring, tetting, kjernekraft og energilagring.
I metallurgisk industri er naturlig grafitt et kjerneråmateriale for ildfaste og støperiapplikasjoner. Ved å utnytte dens gode elektriske ledningsevne og høye-temperaturmotstand, fungerer grafittelektroder som nøkkelkomponenter i elektrisk lysbueovnsstålproduksjon, og tilpasser seg pålitelig til høye-temperatursmelteforhold. Samtidig er grafittbaserte-ildfaste materialer, med deres pålitelige høye-temperaturmotstand og erosjonsmotstand, mye brukt som foringsstrukturer i stål, ikke-jernholdig metallsmelting og forskjellige høy-metallurgiske ovner, noe som gjør dem til uunnværlige basismaterialer for [5].
Innenfor smøring er smøremidler uunnværlige i det moderne liv, brukt i biler, skip, fly og maskinverktøy. Under visse spesielle forhold, som høye temperaturer, kan ytelsen til smøreoljer reduseres betydelig, noe som ofte resulterer i utilstrekkelig smøreevne. Bindekraften mellom grafittlagene er svak, noe som gjør det enkelt å gli under ytre kraft; derfor viser grafitt utmerkede smøreegenskaper og er et ideelt fast smøremiddel. I tillegg, på grunn av sin høye-temperaturmotstand, kan grafittbaserte-smøremidler fungere effektivt i ekstreme miljøer som høye temperaturer, og oppnå gode resultater [6].
På forseglingsfeltet finner grafittforseglingsmaterialer, på grunn av deres enestående korrosjonsbestandighet, høye-temperaturbestandighet og strukturelle stabilitet, utbredt bruk i bransjer som kjemiteknikk, maskineri og elektronikk. Basert på sin unike lagdelte struktur og gode tetningsegenskaper, kan naturlig grafitt effektivt tilpasse seg tetningsforhold i ulike mekaniske utstyr, opprettholde stabil ytelse i komplekse og tøffe miljøer og betydelig forlenge levetiden til tetningskomponenter [5]. I tillegg kan komprimering av porøs, høy-overflate-ekspandert grafitt produsere fleksible grafittark. På grunn av deres høye-temperaturbestandighet, korrosjonsbestandighet, kjemiske stabilitet og visse mekaniske styrke, kan disse arkene fungere effektivt under spesielle forhold, og gir fleksibel grafitt ryktet som "forseglingskonge" [6].
I kjernekraftsektoren er naturlig grafitt med høy-renhet kjerneråmaterialet for produksjon av nøytronmoderatorer i atomreaktorer. Dens utmerkede nøytronmoderasjonsytelse og høye-temperaturstrukturelle stabilitet gjør den til et nøkkelmateriale for kjernekraftverk og kjernefysiske forskningsanlegg. I spesifikke typer atomreaktorer kan naturlig grafitt også tjene som et strukturelt materiale, ved å utnytte dens gode mekaniske styrke, strålingsmotstand og høye-temperaturmotstand for å opprettholde lang-, stabil drift under ekstreme forhold med høy temperatur og intens stråling, uten lett å deformeres eller svikte, og dermed sikre sikker drift av utstyret [5].
På energilagringsfeltet, med den raske utviklingen av den nye energiindustrien, fortsetter markedsetterspørselen etter naturlig grafitt å utvide seg. Den raske veksten i litiumbatteriindustrien har drevet markedets etterspørsel etter anodematerialer betydelig, og naturlig grafitt, med sine unike elektrokjemiske egenskaper, er et foretrukket råmateriale for produksjon av litiumbatterianoder. For tiden er mange felt som nye energikjøretøyer, basestasjoner for mobilkommunikasjon og mikronett avhengige av litiumbatterier som sin kjernekraftkilde, noe som sikrer at grafittlitiumbatterianodematerialer vil fortsette å ha sterk industrikonkurranseevne i det fremtidige nye energimarkedet [7].
3. Grafittrensemetoder
For tiden kan naturlige grafittrensemetoder kategoriseres i fysiske og kjemiske metoder. Blant dem inkluderer fysiske rensemetoder hovedsakelig flotasjon og høy-temperaturmetoder; kjemiske rensemetoder inkluderer alkali-syremetoden, flussyremetoden og kloreringsmetoden.
3.1 Flotasjonsmetode
Flotasjonsmetoden er en mineralbehandlingsprosess som skiller faste mineraler fra en vandig suspensjon basert på forskjeller i deres overflatefysiske og kjemiske egenskaper. Grafittens overflate blir ikke lett fuktet av vann, noe som gir den god flyteevne og tillater enkel separasjon fra urenheter, noe som gjør den egnet for rensing via flotasjon [8].
Den overordnede prosessflyten til flotasjonsmetoden inkluderer hovedsakelig tre kjernetrinn: sliping, flotasjonsseparasjon og resirkulering av middels. Først blir den rå naturlige grafittmalmen knust og malt. Gjennom mekanisk sliping oppnås den foreløpige frigjøringen av grafittmonomerer fra gangururenheter, noe som legger grunnlaget for påfølgende separasjonsoperasjoner. Etter maling blandes grafittmassen og dynkes med spesifikke kjemiske reagenser. Gjennom reagensmodifisering optimaliseres overflatespenningsforskjellene til grafitten, og utvider flyteevnen mellom grafitt og urenhetsmineraler og skaper forhold for effektiv fjerning av urenheter. Deretter brukes en kombinert flotasjonsprosess som involverer flere stadier med grovbearbeiding, fjerning og rengjøring for å gradvis fjerne urenheter fra massen, og effektivt øke renheten til grafittkonsentratet. Under flotasjonsprosessen tilsettes passende flotasjonsreagenser for ytterligere å forbedre flyteevnen til grafitt og forbedre separasjonseffektiviteten. Vanlige industrielle samlere inkluderer dieselolje, parafin, furuolje, etc. [9].
Flotasjonsmetoden, som det første trinnet i grafittrensing, er først og fremst anvendelig for forbehandling av grafitt med lavt-karbon og stort-flak. Denne prosessen har et modent teknologisystem, enkelt støtteutstyr, lavt samlet energiforbruk og kontrollerbare produksjonskostnader, noe som gir betydelige økonomiske fordeler. Det er en svært kostnadseffektiv-teknologi for grovrensing av grafitt i industrielle applikasjoner. Flotasjonsmetoden har imidlertid bemerkelsesverdige begrensninger og er ikke egnet for effektiv rensing av mikrokrystallinsk grafitt. Sammenlignet med krystallinsk grafitt har mikrokrystallinsk grafitt generelt lavere urenhetsinnhold, men dens unike forekomsttilstand av urenheter begrenser i betydelig grad effektiviteten til fjerning av flotasjonsurenheter. Mikrokrystallinske grafittpartikler er ekstremt fine og nært forbundet med gangmineraler, ofte innebygd i leirmineraler. Under maling er det vanskelig å oppnå tilstrekkelig frigjøring av grafittmonomerer fra urenheter, noe som fører til en betydelig reduksjon i flotasjonsseparasjonseffektiviteten. Til syvende og sist er det vanskelig å få tak i grafittkonsentrater med høy{10}}renhet, fordi de ikke oppfyller kravene til avanserte industriapplikasjoner. Oppsummert kan grafittflotasjonsprosessen bare tjene som en primær rensemetode, hovedsakelig brukt til å fjerne de fleste lett separerbare urenheter fra rå grafittmalm, effektivt redusere reagensforbruk og energitap i påfølgende dyprenseprosesser og gi en{13}}råvarebase av høy kvalitet for videre raffinering [10-11].
3.2 Høy-temperaturmetode
Høy-temperaturmetoden utnytter forskjellen i kokepunkt mellom grafitt (høyt smeltepunkt) og urenheter (lavere kokepunkt). Under beskyttelse av en inert atmosfære kontrolleres temperaturen innenfor et passende område, noe som fører til at urenheter med lavere-kokepunkt- som metalloksider og silikater fordamper og slipper ut først, mens høy-smeltepunkt-karbonet forblir i fast form, og dermed oppnår dyp separasjon og rensing [12].
Råvarene som brukes i høy-temperaturmetoden er typisk grafittkonsentrater oppnådd etter flotasjonsrensing eller høy-karbongrafitt oppnådd etter kjemisk rensing, med karboninnhold som vanligvis varierer fra 95 % til 99 % [13]. Denne metoden kan oppnå grafittrenheter på rundt 99,995 %. Selv om det effektivt kan fjerne urenheter innebygd i grafittgitteret uten å ødelegge grafittstrukturen, effektivt forbedre produktkvaliteten, er det ofte bare aktuelt for avanserte teknologisektorer som forsvar, kjernefysisk industri og romfart. Dette er fordi metodens ulemper er betydelige: den krever krevende utstyr, høyt energiforbruk, og innebærer betydelige investerings- og driftskostnader, noe som gjør den ugunstig for storproduksjon i{10}}skala og først og fremst serverer høykvalitets grafittprodukter [12].
3.3 Alkali-syremetode
Alkali-syremetoden, som består av to prosesser-alkalifusjon og syreutvasking-i rekkefølge i henhold til den industrielle flyten, er en relativt effektiv metode for å rense naturlig grafitt. Alkalifusjonsprosess: Ved å utnytte grafittens motstand mot syrer og alkalier, blandes grafitt og alkali jevnt i en viss andel og kalsineres deretter ved høy temperatur. I smeltet tilstand reagerer urenheter som aluminosilikater, kvarts og silikater i grafitten kjemisk med alkaliet, og danner syre-løselige eller vann-løselige silikater, som deretter fjernes ved vannvask. Syreutlutningsprosess: Den alkali-smeltede grafitten og hydroksydene utsettes for varm utluting med en saltsyreløsning av en bestemt konsentrasjon, og omdanner metalloksider til løselige salter. Til slutt, gjennom prosesser som vasking og avvanning, oppnås renset grafitt.
Foreløpig er alkali-syremetoden rensemetoden som vanligvis brukes av grafittprodusenter med høy-renhet i Kina. Dens største fordeler inkluderer lav initial investering, enkelt reaksjonsutstyr, sterk allsidighet, god prosess-tilpasningsevne og relativt høy renhet og kvalitet av de oppnådde produktene. Ulempene er nødvendigheten av kalsinering ved høye temperaturer, betydelig energi- og utstyrsslitasje, relativt lav renseeffektivitet, betydelig tap av verdifulle mineraler og potensial for miljøforurensning [14].
3.4 Flussyremetode
Flussyre (HF) er en sterk syre som kan reagere med de fleste urenheter i grafitt. Imidlertid har grafitt typisk god syrebestandighet ved romtemperatur og er kjemisk stabil, spesielt ved at den ikke reagerer med flussyre. Ved å bløtlegge grafitt i flussyre, tillate reaksjon over tid, etterfulgt av vasking og filtrering, gjenstår grafitt med relativt høy-renhet.
Rensing ved hjelp av flussyremetoden kan fjerne de fleste urenheter fra grafitt, og gi grafitt med høy-renhet til en lav pris. Det er en av de enklere og mer effektive metodene for grafittrensing. Imidlertid er flussyre svært giftig, og utgjør en betydelig sikkerhetsrisiko under produksjonsprosessen, noe som hindrer dens utbredte bruk og anvendelse i industriell produksjon [15].
3.5 Kloreringsstekemetode
Kloreringsstekingsmetoden innebærer tilsetning av en viss mengde reduksjonsmiddel (klorgass, karbontetraklorid) til grafitt og steking ved høye temperaturer under en bestemt atmosfære. Oksyd-urenheter reagerer med klorgass i en kloreringsreaksjon, og omdanner dem til klorider. Urenheter som silikater, aluminosilikater og kvarts i grafitten brytes ned til oksider som silisiumdioksid, aluminiumoksid, jernoksid og kalsiumoksid under høy-temperaturoppvarming. Siden kokepunktene til disse kloridene er relativt lave, fordamper de og unnslipper under brenneprosessen med høy-temperatur, og oppnår dermed fjerning og rensing av urenheter.
Kloreringsstekemetoden fjerner urenheter ved å tilsette reduserende gasser som klor for å omdanne urenheter til kloridformer. Denne metoden gir høy renseeffektivitet og gode utvinningsgrader. Klorgass er imidlertid en farlig gass som er skadelig for miljøet, og prosessen er preget av ustabilitet, noe som begrenser dens utvikling [16].