Графіт, як алотроп вуглецю, має багато особливих властивостей завдяки своїй унікальній кристалічній структурі. Кристали графіту відносяться до гексагональної системи і мають шарувате розташування. У кожному шарі атоми вуглецю з’єднані один з одним в унікальному порядку, причому шість атомів вуглецю утворюють правильні шестикутні кільця на одній площині, і кожен атом вуглецю оточений трьома сусідніми атомами вуглецю. Два електрони 2p, перпендикулярні до площин атома вуглецю, не залучені до гібридизації, можуть вільно рухатися всередині кристалічної решітки та перекриватися, утворюючи π-зв’язки, таким чином наділяючи графіт хорошою електро- та теплопровідністю.
Графіт є чудовим провідником, який володіє не тільки хорошою теплопровідністю, але і відмінною електропровідністю. У той же час він демонструє високу регулярну жорсткість і міцність, зберігаючи свої надійні та стабільні характеристики навіть у -температурному середовищі, що перевищує 3600 градусів. Графіт також користується великою популярністю через його чудові змащувальні властивості, хімічну інертність і стійкість до корозії, що робить його широко застосовним у багатьох галузях [3].
Виходячи з різних кристалічних форм природного графіту, його можна промислово класифікувати на кристалічний графіт і афанітовий (аморфний) графіт. Серед них кристалічний графіт з кращою кристалічністю можна далі поділити на кусковий графіт (масивний кристалічний графіт) і лусковий графіт.
Лускатий графіт зазвичай зустрічається у вигляді окремих кристалів або у вигляді паралельних кристалічних зростків у вигляді тонких листів і лусочок. Його кристалічна форма зазвичай добре -розвинена і часто зустрічається у вигляді агрегатів із розміром кристалічних зерен, як правило, понад 1 мкм. Лускоподібний графіт, видобутий природним шляхом, має відносно низький вміст, але в порівнянні з іншими типами графіту, він демонструє чудову плавучість, змащувальну здатність і пластичність, що, як правило, надає лускоподібному графіту вищу економічну цінність. Грудковий графіт зазвичай має вміст вуглецю близько 60%-65%, а в деяких випадках він досягає понад 80%, але його пластичність і змащувальна здатність поступаються пластичним і змащувальним властивостям пластівчастого графіту.
Через погану кристалічність морфологію кристалів афанітового графіту можна побачити лише під електронним мікроскопом, і неозброєним оком він виглядає землистим; отже, він також відомий як земляний, аморфний або мікрокристалічний графіт. Афанітовий графіт має відносно слабкий блиск, і його змащувальна здатність не може зрівнятися з пластівчастим графітом. Однак його вміст, як правило, вищий, а в деяких навіть досягає понад 90% [4].
2. Застосування графіту
Природний графіт має відмінні фізико-хімічні властивості, що веде до широкого спектру застосування. Він відіграє незамінну та важливу роль у багатьох галузях промисловості, включаючи металургію, змащення, ущільнення, атомну енергетику та зберігання енергії.
У металургійній промисловості природний графіт є основною сировиною для вогнетривів і ливарного виробництва. Завдяки хорошій електропровідності та стійкості до високих-температур графітові електроди служать ключовими компонентами виробництва сталі в електродугових печах, надійно адаптуючись до умов плавлення при високих{2}}температурах. Водночас вогнетривкі-матеріали на основі графіту з їх надійною стійкістю до високих-температур і стійкістю до ерозії широко використовуються як футерівні конструкції при виплавці сталі, -кольорових металів і різноманітних високотемпературних металургійних печах-, що робить їх незамінними основними матеріалами для металургійної промисловості [5].
У сфері змащення мастильні матеріали незамінні в сучасному житті, використовуються в автомобілях, кораблях, літаках і верстатах. За певних особливих умов, таких як високі температури, продуктивність мастил може бути значно знижена, що часто призводить до недостатньої змащувальної здатності. Сила зв’язку між шарами графіту слабка, що дозволяє легко ковзати під дією зовнішньої сили; отже, графіт демонструє чудові змащувальні властивості і є ідеальним твердим мастильним матеріалом. Крім того, завдяки своїй -температуростійкості, мастила на основі графіту- можуть ефективно працювати в екстремальних середовищах, таких як високі температури, досягаючи хороших результатів [6].
У сфері ущільнень графітові ущільнювальні матеріали завдяки своїй видатній корозійній стійкості, стійкості до високих{0}}температур і структурній стабільності знаходять широке застосування в таких галузях, як хімічне машинобудування, машинобудування й електроніка. Завдяки своїй унікальній шаруватій структурі та хорошим ущільнювальним властивостям природний графіт може ефективно адаптуватися до умов ущільнення в різному механічному обладнанні, зберігаючи стабільну роботу в складних і жорстких середовищах і значно подовжуючи термін служби ущільнювальних компонентів [5]. Крім того, стиснення пористого-поверхневого-розширеного графіту може створювати гнучкі графітові листи. Завдяки високій-температуростійкості, стійкості до корозії, хімічній стабільності та певній механічній міцності ці листи можуть ефективно працювати в особливих умовах, завдяки чому гнучкий графіт отримав репутацію «короля герметизації» [6].
У секторі ядерної енергетики природний графіт високої{0}}чистоти є основною сировиною для виробництва сповільнювачів нейтронів у ядерних реакторах. Його відмінна ефективність сповільнення нейтронів і високо{2}}температурна структурна стабільність роблять його ключовим матеріалом для атомних електростанцій і ядерних дослідницьких установ. У певних типах ядерних реакторів природний графіт також може служити конструкційним матеріалом, використовуючи його хорошу механічну міцність, радіаційну стійкість і стійкість до високих-температур для підтримки тривалої-стабільної роботи в екстремальних умовах високої температури та інтенсивного випромінювання, без швидкої деформації або виходу з ладу, таким чином забезпечуючи безпечну роботу ядерного обладнання [5].
У сфері накопичення енергії зі швидким розвитком нової енергетичної галузі ринковий попит на природний графіт продовжує зростати. Швидке зростання індустрії літієвих батарей значно підштовхнуло ринковий попит на анодні матеріали, і природний графіт з його унікальними електрохімічними властивостями є переважною сировиною для виробництва анодів для літієвих батарей. В даний час численні галузі, такі як нові енергетичні транспортні засоби, базові станції мобільного зв’язку та мікромережі, покладаються на літієві батареї в якості основного джерела живлення, що гарантує, що анодні матеріали графітових літієвих батарей продовжуватимуть мати сильну конкурентоспроможність у галузі на майбутньому новому енергетичному ринку [7].
3. Методи очищення графіту
В даний час методи очищення природного графіту можна розділити на фізичні та хімічні методи. Серед них фізичні методи очищення в основному включають флотацію та високо{1}}температурні методи; хімічні методи очищення включають лужний-кислотний метод, фтористоводневу кислоту та метод хлорування.
3.1 Метод флотації
Метод флотації — це процес переробки мінералів, який відокремлює тверді мінерали від водної суспензії на основі відмінностей у їхніх фізичних і хімічних властивостях поверхні. Поверхня графіту не легко змочується водою, що забезпечує йому хорошу флотованість і дозволяє легко відокремлюватися від домішок, що робить його придатним для очищення за допомогою флотації [8].
Загальний технологічний процес методу флотації в основному включає три основні етапи: подрібнення, флотаційне відділення та рециркуляцію промпродукту. Спочатку сиру природну графітову руду подрібнюють і подрібнюють. За допомогою механічного подрібнення досягається попереднє звільнення мономерів графіту від домішок пустої породи, закладаючи основу для подальших операцій поділу. Після подрібнення графітову целюлозу змішують і просочують спеціальними хімічними реагентами. Завдяки модифікації реагентів оптимізуються відмінності поверхневого натягу графіту, розширюючи розрив у плавучості між графітом і домішковими мінералами та створюючи умови для ефективного видалення домішок. Згодом використовується комбінований процес флотації, що включає кілька етапів чорнової обробки, видалення та очищення, щоб поступово видалити компоненти домішок із пульпи, ефективно підвищуючи чистоту графітового концентрату. Під час процесу флотації додають відповідні флотаційні реагенти для подальшого покращення флотаційності графіту та підвищення ефективності розділення. Промислові колектори, що зазвичай використовуються, включають дизельне паливо, гас, соснове масло тощо [9].
Метод флотації, як перший етап очищення графіту, в основному застосовний для попередньої обробки низько{0}}вуглецевого, велико-лускоподібного графіту. Цей процес має зрілу технологічну систему, просте допоміжне обладнання, низьке загальне споживання енергії та контрольовані виробничі витрати, що забезпечує значні економічні переваги. Це високорентабельна-технологія грубого очищення графіту в промисловому застосуванні. Однак метод флотації має значні обмеження і не підходить для ефективного очищення мікрокристалічного графіту. Порівняно з кристалічним графітом мікрокристалічний графіт зазвичай має нижчий загальний вміст домішок, але його унікальний стан наявності домішок значно обмежує ефективність видалення домішок флотацією. Частинки мікрокристалічного графіту надзвичайно дрібні та тісно пов’язані з мінералами породи, часто вбудованими в глинисті мінерали. Під час подрібнення важко досягти достатнього звільнення мономерів графіту від домішок, що призводить до значного зниження ефективності флотаційного поділу. Зрештою, важко отримати високо{10}}чисті графітові концентрати, які не відповідають вимогам високо{11}}промислового застосування. Підводячи підсумок, процес графітової флотації може служити лише як основний метод очищення, який в основному використовується для видалення більшості легковідокремлюваних домішок із сирої графітової руди, ефективно зменшуючи споживання реагентів і втрати енергії в наступних процесах глибокого очищення та забезпечуючи високо{13}}якісну сировинну базу для подальшого рафінування [10-11].
3.2 Метод високо-температури
Високо{0}}температурний метод використовує різницю в температурах кипіння між графітом (висока температура плавлення) і домішками (нижча температура кипіння). Під захистом інертної атмосфери температура контролюється в межах відповідного діапазону, в результаті чого домішки з нижчою-температурою кипіння-, такі як оксиди металів і силікати, випаровуються та виходять першими, тоді як вуглець з високою-температурою-плавлення залишається у твердій формі, таким чином досягаючи глибокого розділення та очищення [12].
Сировиною, яка використовується у високо{0}}температурному методі, зазвичай є графітові концентрати, отримані після флотаційного очищення, або високо{1}}вуглецевий графіт, отриманий після хімічного очищення, із вмістом вуглецю, як правило, від 95% до 99% [13]. Цей метод дозволяє досягти чистоти графіту близько 99,995%. Незважаючи на те, що він може ефективно видаляти домішки, вбудовані в графітову решітку, не руйнуючи структуру графіту, ефективно покращуючи якість продукту, він часто застосовний лише для-галузей високотехнологічних технологій, таких як оборона, ядерна промисловість та авіакосмічна промисловість. Це пов’язано з тим, що метод має значні недоліки: він потребує вимогливого обладнання, високого енергоспоживання та передбачає значні інвестиції та експлуатаційні витрати, що робить його несприятливим для великомасштабного-виробництва та переважно для обслуговування високоякісних-продуктів із графіту [12].
3.3 Лужний-кислотний метод
Лужний-кислотний метод, який складається з двох процесів-лужного плавлення та кислотного вилуговування-послідовно відповідно до промислового потоку, є відносно ефективним методом очищення природного графіту. Процес лужного плавлення: використовуючи стійкість графіту до кислот і лугів, графіт і луг змішуються рівномірно в певній пропорції, а потім кальцинуються при високій температурі. У розплавленому стані такі домішки, як алюмосилікати, кварц і силікати в графіті, хімічно реагують із лугом, утворюючи кислото-розчинні або водо-силікати, які потім видаляються шляхом промивання водою. Процес кислотного вилуговування: лужно-розплавлений графіт і гідроксиди піддаються гарячому вилуговуванню розчином соляної кислоти певної концентрації, перетворюючи оксиди металів на розчинні солі. Нарешті, за допомогою таких процесів, як промивання та зневоднення, отримують очищений графіт.
Наразі лужний-кислотний метод є методом очищення, який зазвичай застосовують виробники високо{1}}чистого графіту в Китаї. Його найбільші переваги включають низькі початкові інвестиції, просте реакційне обладнання, сильну універсальність, хорошу адаптивність процесу та відносно високу чистоту та сорт отриманих продуктів. Недоліками є необхідність прожарювання при високих температурах, значний знос енергії та обладнання, відносно низька ефективність очищення, значні втрати цінних мінералів, потенційне забруднення навколишнього середовища [14].
3.4 Метод фтористоводневої кислоти
Плавикова кислота (HF) є сильною кислотою, яка може реагувати з більшістю домішок у графіті. Проте графіт, як правило, має добру кислотостійкість при кімнатній температурі та хімічно стабільний, особливо в тому, що він не реагує з фтористоводневою кислотою. Замочуючи графіт у фтористоводневій кислоті, витримуючи реакцію з часом, з наступним промиванням і фільтрацією, залишається графіт відносно високої -чистоти.
Очищення за допомогою методу фтористоводневої кислоти може видалити більшість домішок із графіту, одержуючи графіт високої-чистоти за низьку вартість. Це один з найпростіших і ефективніших методів очищення графіту. Однак плавикова кислота є високотоксичною, створює значну загрозу безпеці під час виробничого процесу, що перешкоджає її широкому впровадженню та використанню в промисловому виробництві [15].
3.5 Метод хлорування
Метод хлорування включає додавання певної кількості відновника (газоподібний хлор, чотирихлористий вуглець) до графіту та випал при високих температурах у певній атмосфері. Оксидні домішки реагують із газоподібним хлором у реакції хлорування, перетворюючи їх на хлориди. Такі домішки, як силікати, алюмосилікати та кварц, у графіті розкладаються на такі оксиди, як діоксид кремнію, оксид алюмінію, оксид заліза та оксид кальцію, під час високо-температурного нагрівання. Оскільки точки кипіння цих хлоридів є відносно низькими, вони випаровуються та виділяються під час високо-температурного процесу смаження, таким чином досягаючи видалення домішок і очищення.
Метод випалу хлорування видаляє домішки шляхом додавання відновних газів, таких як хлор, для перетворення домішок у форми хлориду. Цей метод забезпечує високу ефективність очищення та хороші показники відновлення. Проте газоподібний хлор є небезпечним газом, шкідливим для навколишнього середовища, а процес характеризується нестабільністю, що обмежує його розвиток [16].