Grafiet bezit als allotroop van koolstof veel bijzondere eigenschappen vanwege de unieke kristalstructuur. Grafietkristallen behoren tot het hexagonale systeem en hebben een gelaagde opstelling. In elke laag zijn koolstofatomen op een unieke manier met elkaar verbonden, waarbij zes koolstofatomen regelmatige zeshoekige ringen op hetzelfde vlak vormen, en elk koolstofatoom wordt omgeven door drie aangrenzende koolstofatomen. De twee 2p-elektronen loodrecht op de koolstofatoomvlakken, die niet betrokken zijn bij hybridisatie, kunnen vrij bewegen binnen het kristalrooster en elkaar overlappen om π-bindingen te vormen, waardoor grafiet een goede elektrische en thermische geleidbaarheid krijgt.
Grafiet is een uitstekende geleider en beschikt niet alleen over een goede thermische geleidbaarheid, maar ook over een uitstekende elektrische geleidbaarheid. Tegelijkertijd vertoont het een hoge regelmatige stijfheid en sterkte, waardoor zijn robuuste en stabiele eigenschappen behouden blijven, zelfs in omgevingen met hoge- temperaturen van meer dan 3600 graden. Grafiet is ook zeer geliefd vanwege zijn uitstekende smerende eigenschappen, chemische inertie en corrosieweerstand, waardoor het breed toepasbaar is op tal van terreinen [3].
Gebaseerd op de verschillende kristallijne vormen van natuurlijk grafiet, kan het industrieel worden geclassificeerd in kristallijn grafiet en afanitisch (amorf) grafiet. Hiervan kan kristallijn grafiet met betere kristalliniteit verder worden onderverdeeld in klompgrafiet (massief kristallijn grafiet) en vlokgrafiet.
Vlokgrafiet komt doorgaans voor als individuele kristallen of als parallelle vergroeiingen van kristallen in de vorm van dunne platen en vlokken. De kristallijne vorm is meestal goed-ontwikkeld en komt vaak voor als aggregaten, met kristalkorrelgroottes die doorgaans groter zijn dan 1 μm. Natuurlijk gewonnen vlokgrafieterts heeft een relatief lage kwaliteit, maar vergeleken met andere soorten grafiet vertoont het een superieur drijfvermogen, gladheid en plasticiteit, waardoor vlokgrafiet over het algemeen een hogere economische waarde krijgt. Klompgrafiet heeft doorgaans een koolstofgehalte van ongeveer 60% -65%, waarvan sommige meer dan 80% bereiken, maar de plasticiteit en gladheid zijn inferieur aan die van vlokgrafiet.
Vanwege de slechte kristalliniteit is de kristalmorfologie van afanitisch grafiet alleen zichtbaar onder een elektronenmicroscoop, en lijkt het met het blote oog aards; daarom is het ook bekend als aards, amorf of microkristallijn grafiet. Afanitisch grafiet heeft een relatief lage glans en de gladheid ervan kan niet worden vergeleken met die van vlokgrafiet. Het cijfer is echter over het algemeen hoger, en sommige bereiken zelfs meer dan 90% [4].
2. Toepassingen van grafiet
Natuurlijk grafiet bezit uitstekende fysisch-chemische eigenschappen, wat leidt tot een breed scala aan toepassingen. Het speelt een onvervangbare en belangrijke rol in tal van industrieën, waaronder de metallurgie, smering, afdichting, kernenergie en energieopslag.
In de metallurgische industrie is natuurlijk grafiet een kerngrondstof voor vuurvaste materialen en gieterijtoepassingen. Door gebruik te maken van de goede elektrische geleidbaarheid en de hoge- temperatuurbestendigheid, dienen grafietelektroden als sleutelcomponenten bij de staalproductie in vlamboogovens, waarbij ze zich betrouwbaar aanpassen aan de smeltomstandigheden bij hoge- temperaturen. Tegelijkertijd worden op grafiet-gebaseerde vuurvaste materialen, met hun betrouwbare hoge- temperatuurbestendigheid en erosieweerstand, op grote schaal gebruikt als bekledingsconstructies in staal, non-het smelten van non-ferrometalen en diverse hoge-metallurgische ovens, waardoor ze onmisbare basismaterialen zijn voor de metallurgische industrie [5].
Op het gebied van smering zijn smeermiddelen onmisbaar in het moderne leven en worden ze gebruikt in auto's, schepen, vliegtuigen en werktuigmachines. Onder bepaalde speciale omstandigheden, zoals hoge temperaturen, kunnen de prestaties van smeeroliën aanzienlijk worden verminderd, wat vaak resulteert in onvoldoende smering. De hechtkracht tussen grafietlagen is zwak, waardoor gemakkelijk glijden onder externe kracht mogelijk is; daarom vertoont grafiet uitstekende smerende eigenschappen en is het een ideaal vast smeermiddel. Bovendien kunnen smeermiddelen op basis van grafiet- dankzij hun hoge-temperatuurbestendigheid effectief functioneren in extreme omgevingen zoals hoge temperaturen, waardoor goede resultaten worden behaald [6].
Op het gebied van afdichtingen vinden grafietafdichtingsmaterialen, vanwege hun uitstekende corrosieweerstand, hoge- temperatuurbestendigheid en structurele stabiliteit, wijdverbreide toepassing in industrieën zoals de chemische technologie, machines en elektronica. Op basis van zijn unieke gelaagde structuur en goede afdichtingseigenschappen kan natuurlijk grafiet zich effectief aanpassen aan de afdichtingsomstandigheden in verschillende mechanische apparatuur, waardoor stabiele prestaties in complexe en zware omgevingen behouden blijven en de levensduur van afdichtingscomponenten aanzienlijk wordt verlengd [5]. Bovendien kan het comprimeren van poreus geëxpandeerd grafiet met hoge{4}}oppervlakte-oppervlakte flexibele grafietplaten produceren. Vanwege hun hoge-temperatuurbestendigheid, corrosiebestendigheid, chemische stabiliteit en bepaalde mechanische sterkte kunnen deze platen effectief functioneren onder speciale omstandigheden, waardoor flexibel grafiet de reputatie krijgt van 'afdichtingskoning' [6].
In de kernenergiesector is hoog-natuurlijk grafiet de belangrijkste grondstof voor de productie van neutronenmoderators in kernreactoren. De uitstekende prestaties op het gebied van neutronenmatiging en de structurele stabiliteit bij hoge- temperaturen maken het tot een belangrijk materiaal voor kerncentrales en nucleaire onderzoeksfaciliteiten. In specifieke soorten kernreactoren kan natuurlijk grafiet ook dienen als structureel materiaal, waarbij gebruik wordt gemaakt van de goede mechanische sterkte, stralingsweerstand en hoge-temperatuurbestendigheid om op lange- termijn een stabiele werking te behouden onder extreme omstandigheden van hoge temperaturen en intense straling, zonder gemakkelijk te vervormen of defect te raken, waardoor de veilige werking van nucleaire apparatuur wordt gegarandeerd [5].
Op het gebied van energieopslag blijft, met de snelle ontwikkeling van de nieuwe energie-industrie, de marktvraag naar natuurlijk grafiet groeien. De snelle groei van de lithiumbatterij-industrie heeft de marktvraag naar anodematerialen aanzienlijk gestimuleerd, en natuurlijk grafiet, met zijn unieke elektrochemische eigenschappen, is een geprefereerde grondstof voor de productie van lithiumbatterijanodes. Momenteel zijn tal van gebieden, zoals nieuwe energievoertuigen, basisstations voor mobiele communicatie en microgrids, afhankelijk van lithiumbatterijen als hun belangrijkste energiebron, wat ervoor zorgt dat anodematerialen van grafiet-lithiumbatterijen een sterke concurrentiepositie van de industrie zullen blijven behouden op de toekomstige nieuwe energiemarkt [7].
3. Grafietzuiveringsmethoden
Momenteel kunnen natuurlijke grafietzuiveringsmethoden worden onderverdeeld in fysische en chemische methoden. Onder de fysieke zuiveringsmethoden vallen vooral flotatie- en hoge- temperatuurmethoden; chemische zuiveringsmethoden omvatten de alkali-zuurmethode, fluorwaterstofzuurmethode en chloreringsbrandmethode.
3.1 Flotatiemethode
De flotatiemethode is een mineraalverwerkingsproces dat vaste mineralen scheidt van een waterige suspensie op basis van verschillen in hun fysische en chemische oppervlakte-eigenschappen. Het oppervlak van grafiet wordt niet gemakkelijk bevochtigd door water, waardoor het goed drijft en gemakkelijk wordt gescheiden van onzuiverheden, waardoor het geschikt is voor zuivering via flotatie [8].
De totale processtroom van de flotatiemethode omvat hoofdzakelijk drie kernstappen: slijpen, flotatiescheiding en recirculatie van middelmatig materiaal. Eerst wordt het ruwe natuurlijke grafieterts verpletterd en gemalen. Door mechanisch malen wordt de voorlopige bevrijding van grafietmonomeren van ganggesteenteverontreinigingen bereikt, waardoor de basis wordt gelegd voor daaropvolgende scheidingsoperaties. Na het malen wordt de grafietpulp gemengd en gedrenkt in specifieke chemische reagentia. Door middel van reagensmodificatie worden de verschillen in oppervlaktespanning van het grafiet geoptimaliseerd, waardoor de kloof tussen grafiet en onzuiverheidsmineralen groter wordt en omstandigheden worden gecreëerd voor een efficiënte verwijdering van onzuiverheden. Vervolgens wordt een gecombineerd flotatieproces toegepast dat meerdere fasen van voorbewerken, opruimen en reinigen omvat om geleidelijk onzuiverheidscomponenten uit de pulp te verwijderen, waardoor de zuiverheid van het grafietconcentraat effectief wordt verhoogd. Tijdens het flotatieproces worden geschikte flotatiereagentia toegevoegd om het drijfvermogen van grafiet verder te verbeteren en de scheidingsefficiëntie te verbeteren. Veelgebruikte industriële collectoren zijn onder meer dieselolie, kerosine, dennenolie, enz. [9].
De flotatiemethode, als de eerste stap in de grafietzuivering, is voornamelijk toepasbaar op de voorbehandeling van grafiet met een laag-koolstofgehalte en grote-vlokken. Dit proces heeft een volwassen technologiesysteem, eenvoudige ondersteunende apparatuur, een laag totaal energieverbruik en beheersbare productiekosten, wat aanzienlijke economische voordelen biedt. Het is een zeer kosteneffectieve-effectieve grafietzuiveringstechnologie in industriële toepassingen. De flotatiemethode heeft echter opmerkelijke beperkingen en is niet geschikt voor de efficiënte zuivering van microkristallijn grafiet. Vergeleken met kristallijn grafiet heeft microkristallijn grafiet over het algemeen een lager totaalgehalte aan onzuiverheden, maar de unieke staat van het voorkomen van onzuiverheden beperkt de effectiviteit van de verwijdering van flotatie-onzuiverheden aanzienlijk. Microkristallijne grafietdeeltjes zijn uiterst fijn en nauw verbonden met ganggesteentemineralen, vaak ingebed in kleimineralen. Tijdens het malen is het moeilijk om voldoende bevrijding van grafietmonomeren van onzuiverheden te bereiken, wat leidt tot een aanzienlijke vermindering van de flotatie-scheidingsefficiëntie. Uiteindelijk is het moeilijk om hoog-zuivere grafietconcentraten te verkrijgen, die niet voldoen aan de eisen van- hoogwaardige industriële toepassingen. Samenvattend kan het grafietflotatieproces alleen dienen als een primaire zuiveringsmethode, die voornamelijk wordt gebruikt om de meeste gemakkelijk scheidbare onzuiverheden uit ruw grafieterts te verwijderen, waardoor het reagensverbruik en het energieverlies in daaropvolgende diepe zuiveringsprocessen effectief worden verminderd en een hoogwaardige grondstofbasis wordt geboden voor verdere raffinage [10-11].
3.2 Hoge-methode
De hoge-temperatuurmethode maakt gebruik van het verschil in kookpunten tussen grafiet (hoog smeltpunt) en onzuiverheden (lagere kookpunten). Onder de bescherming van een inerte atmosfeer wordt de temperatuur binnen een geschikt bereik geregeld, waardoor onzuiverheden met een lager-kookpunt- zoals metaaloxiden en silicaten als eerste verdampen en ontsnappen, terwijl de koolstof met een hoog-smeltpunt- in vaste vorm blijft, waardoor een diepe scheiding en zuivering wordt bereikt [12].
De grondstoffen die bij de hoge--temperatuurmethode worden gebruikt, zijn doorgaans grafietconcentraten verkregen na flotatiezuivering of hoog-koolstofgrafiet verkregen na chemische zuivering, waarbij het koolstofgehalte doorgaans varieert van 95% tot 99% [13]. Met deze methode kunnen grafietzuiverheden van ongeveer 99,995% worden bereikt. Hoewel het effectief onzuiverheden kan verwijderen die in het grafietrooster zijn ingebed zonder de grafietstructuur te vernietigen, waardoor de productkwaliteit efficiënt wordt verbeterd, is het vaak alleen toepasbaar in hoogwaardige technologiesectoren zoals defensie, de nucleaire industrie en de ruimtevaart. Dit komt omdat de nadelen van de methode aanzienlijk zijn: er is veeleisende apparatuur voor nodig, een hoog energieverbruik, en er zijn aanzienlijke investerings- en operationele kosten mee gemoeid, waardoor deze ongunstig is voor productie op grote- schaal en vooral voor hoogwaardige- grafietproducten [12].
3.3 Alkali-zuurmethode
De alkali-zuurmethode, die bestaat uit twee processen-alkalifusie en zuuruitloging-in volgorde volgens de industriële stroom, is een relatief effectieve methode voor het zuiveren van natuurlijk grafiet. Alkalifusieproces: Gebruikmakend van de weerstand van grafiet tegen zuren en alkaliën, worden grafiet en alkali uniform in een bepaalde verhouding gemengd en vervolgens bij hoge temperatuur gecalcineerd. In gesmolten toestand reageren onzuiverheden zoals aluminosilicaten, kwarts en silicaten in het grafiet chemisch met de alkali, waarbij zuur-oplosbare of water- oplosbare silicaten worden gevormd, die vervolgens worden verwijderd door wassen met water. Zuuruitloogproces: het alkali-gesmolten grafiet en de hydroxiden worden onderworpen aan heet uitlogen met een zoutzuuroplossing van een specifieke concentratie, waarbij metaaloxiden worden omgezet in oplosbare zouten. Ten slotte wordt door processen als wassen en ontwateren gezuiverd grafiet verkregen.
Momenteel is de alkali{0}}zuurmethode de zuiveringsmethode die algemeen wordt toegepast door hoog-zuivere grafietproducenten in China. De grootste voordelen zijn onder meer een lage initiële investering, eenvoudige reactieapparatuur, grote veelzijdigheid, goede procesaanpassing en relatief hoge zuiverheid en kwaliteit van de verkregen producten. De nadelen zijn de noodzaak van calcineren bij hoge temperaturen, aanzienlijke slijtage van energie en apparatuur, relatief lage zuiveringsefficiëntie, aanzienlijk verlies van waardevolle mineralen en potentieel voor milieuvervuiling [14].
3.4 Fluorwaterstofzuurmethode
Fluorwaterstofzuur (HF) is een sterk zuur dat kan reageren met de meeste onzuiverheden in grafiet. Grafiet heeft echter doorgaans een goede zuurbestendigheid bij kamertemperatuur en is chemisch stabiel, vooral omdat het niet reageert met fluorwaterstofzuur. Door grafiet te weken in fluorwaterstofzuur, een reactie in de loop van de tijd mogelijk te maken, gevolgd door wassen en filtratie, blijft grafiet met een relatief hoge-zuiverheid achter.
Zuivering met behulp van de waterstoffluoridemethode kan de meeste onzuiverheden uit grafiet verwijderen, waardoor grafiet met een hoge-zuiverheid tegen lage kosten wordt verkregen. Het is een van de eenvoudigere en effectievere methoden voor grafietzuivering. Fluorwaterstofzuur is echter zeer giftig en brengt aanzienlijke veiligheidsrisico's met zich mee tijdens het productieproces, waardoor de wijdverbreide toepassing en toepassing ervan in de industriële productie wordt verhinderd [15].
3.5 Chlorering Roostmethode
De chloreringsbrandmethode omvat het toevoegen van een bepaalde hoeveelheid reductiemiddel (chloorgas, tetrachloorkoolstof) aan grafiet en het roosten bij hoge temperaturen onder een specifieke atmosfeer. Oxide-onzuiverheden reageren met chloorgas in een chloreringsreactie en zetten ze om in chloriden. Onzuiverheden zoals silicaten, aluminosilicaten en kwarts in het grafiet vallen onder verhitting op hoge- temperatuur uiteen in oxiden zoals siliciumdioxide, aluminiumoxide, ijzeroxide en calciumoxide. Omdat de kookpunten van deze chloriden relatief laag zijn, verdampen ze en ontsnappen ze tijdens het roostproces op hoge -temperatuur, waardoor de verwijdering en zuivering van onzuiverheden wordt bereikt.
De chloreringsbrandmethode verwijdert onzuiverheden door reducerende gassen zoals chloor toe te voegen om onzuiverheden om te zetten in chloridevormen. Deze methode biedt een hoge zuiveringsefficiëntie en goede terugwinningspercentages. Chloorgas is echter een gevaarlijk gas dat schadelijk is voor het milieu en het proces wordt gekenmerkt door instabiliteit, wat de ontwikkeling ervan beperkt [16].