石墨材料的提純方法

石墨是一種高能晶體碳材料，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電、導(dǎo)熱、潤(rùn)滑、耐高溫、化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，使其在高性能材料中具有較高應(yīng)用價(jià)值，廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、環(huán)保、化工、耐火、電子、醫(yī)藥、軍工和航空航天等領(lǐng)域。

不管是用于人造金剛石的原料、鋰離子電池的陰極材料、燃料電池的電極材料、密封、導(dǎo)熱的柔性石墨材料，還是用于航空航天、國(guó)防、核工業(yè)的特殊石墨材料，都要求石墨的純度為含碳99%~99.99%，甚至更高。我國(guó)市場(chǎng)需要的高純超細(xì)石墨制品則多依賴進(jìn)口。因此，針對(duì)高純石墨制備工藝進(jìn)行研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。石墨提純方法，石墨提純的過程十分復(fù)雜，主要的提純方法有浮選法、堿酸法、氫氟酸法、高溫法以及氯化焙燒法。

浮選法

通常浮選法僅作為石墨提純的第一步，想要獲得高純石墨，還要進(jìn)一步利用化學(xué)法或高溫法。

浮選法原理是利用礦物表面性質(zhì)的差異，將礦石用浮選藥劑處理后，使礦物有選擇性地粘附于氣泡上，從而將有用的礦物和脈石礦物分開。石墨與水接觸后， 其表面不易被水浸潤(rùn)，同時(shí)石墨的可懸浮性十分良好，因此石墨較易被分離。

優(yōu)點(diǎn)：能耗和試劑消耗少、成本低。

缺點(diǎn)：石墨的品位只能達(dá)到一定范圍，并且回收率低。

堿酸法

目前石墨的化學(xué)提純中應(yīng)用較為普遍且成熟的工藝方法是堿酸兩步法。

堿酸法工藝流程

堿酸法原理是將NaOH與石墨按照一定的比例混合均勻在500~700℃下進(jìn)行煅燒。石墨雜質(zhì)如硅酸鹽、硅鋁酸鹽、石英等成分與氫氧化鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶性的硅酸鈉或酸溶性的硅鋁酸鈉，然后用水洗將其除去以達(dá)到脫硅的目的。

另一部分雜質(zhì)，如金屬的氧化物等，經(jīng)過堿浸后仍保留在石墨中，將脫硅后的產(chǎn)物用酸浸出，使其中的金屬氧化物轉(zhuǎn)化為可溶性的金屬化合物。石墨中的碳酸鹽等雜質(zhì)以及堿浸過程中形成的酸溶性化合物與酸反應(yīng)后進(jìn)入液相，再經(jīng)過濾、洗滌實(shí)現(xiàn)與石墨的分離。

優(yōu)點(diǎn)：一次性投資少、產(chǎn)品品位較高、工藝適應(yīng)性強(qiáng)，而且還具有設(shè)備常規(guī)、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

缺點(diǎn)：要高溫煅燒、能量消耗大、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、石墨流失量大以及廢水污染嚴(yán)重等。

氫氟酸法

石墨的耐酸性很好，尤其是對(duì)氫氟酸的耐性極強(qiáng)。采用氫氟酸法尤其適于處理云母含量較高的石墨。

氫氟酸法工藝流程

氫氟酸法原理是利用石墨中的主要雜質(zhì)硅酸巖類與氫氟酸發(fā)生反應(yīng)生成氟硅酸(或鹽)，隨溶液排除，從而獲得高純度的石墨。

不過氫氟酸與CaO、MgO、Fe2O3等反應(yīng)會(huì)得到沉淀。為解決沉淀問題，在氫氟酸中加入少量的氟硅酸、稀鹽酸、硝酸或硫酸等，可以除去Ca、Mg、Fe等雜質(zhì)元素的干擾。

優(yōu)點(diǎn)：除雜效率高，所得產(chǎn)品的品位高，對(duì)石墨產(chǎn)品的性能影響小，能耗低。

缺點(diǎn)：氫氟酸有劇毒和強(qiáng)腐蝕性，生產(chǎn)過程中必須有嚴(yán)格的安全防護(hù)措施，環(huán)保投入也使得氫氟酸法大打折扣。

高溫法

石墨是一種高熔點(diǎn)高沸點(diǎn)的物質(zhì)，其熔沸點(diǎn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硅酸鹽材料，硅酸鹽的沸點(diǎn)是2750℃左右，石墨沸點(diǎn)為4500℃，熔點(diǎn)為3850±50℃。

因此高溫法原理是利用它們的熔沸點(diǎn)差異，將石墨置于石墨化的石墨坩堝中，在一定的氣氛下，利用特定的儀器設(shè)備加熱到2700℃，即可使雜質(zhì)氣化并從石墨中逸出，達(dá)到提純的效果。

優(yōu)點(diǎn)：通過此法能夠獲得純度高達(dá)99.99%的超高純石墨。

缺點(diǎn)：需要巨大金額的投資，同時(shí)生產(chǎn)過程中需要隔絕空氣，電爐加熱要求嚴(yán)苛。

氯化焙燒法

氯化焙燒法是利用雜質(zhì)氧化物的熔沸點(diǎn)比雜質(zhì)氯化物的熔沸點(diǎn)高這一特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨的提純。

氯化焙燒法是在石墨中添加一定量的還原劑，然后在一定的溫度和一定的氣氛中，通入氯氣，讓氯氣與石墨中的雜質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，石墨中的雜質(zhì)最終轉(zhuǎn)變成氣相或凝聚相的金屬氯化物及絡(luò)合物，與石墨分離，從而達(dá)到獲得高純石墨的目的。

優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能、回收率高、提純效果好等。

缺點(diǎn)：氯氣有毒，在生產(chǎn)過程中會(huì)對(duì)操作人員造成一定損害，并且腐蝕性十分嚴(yán)重，污染環(huán)境。此外，工藝穩(wěn)定性不足，獲得的石墨產(chǎn)品純度有限，這一系列缺點(diǎn)限制了其在工業(yè)中的應(yīng)用。

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