石墨材料的提純方法

石墨是一種高能晶體碳材料，因其獨特的結構和導電、導熱、潤滑、耐高溫、化學性能穩(wěn)定等特點，使其在高性能材料中具有較高應用價值，廣泛應用于冶金、機械、環(huán)保、化工、耐火、電子、醫(yī)藥、軍工和航空航天等領域。

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、導熱的柔性石墨材料，還是用于航空航天、國防、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。我國市場需要的高純超細石墨制品則多依賴進口。因此，針對高純石墨制備工藝進行研究，具有重要的現(xiàn)實意義。石墨提純方法，石墨提純的過程十分復雜，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，還要進一步利用化學法或高溫法。

浮選法原理是利用礦物表面性質的差異，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，同時石墨的可懸浮性十分良好，因此石墨較易被分離。

優(yōu)點：能耗和試劑消耗少、成本低。

缺點：石墨的品位只能達到一定范圍，并且回收率低。

堿酸法

目前石墨的化學提純中應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℃下進行煅燒。石墨雜質如硅酸鹽、硅鋁酸鹽、石英等成分與氫氧化鈉發(fā)生化學反應，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到脫硅的目的。

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

優(yōu)點：一次性投資少、產品品位較高、工藝適應性強，而且還具有設備常規(guī)、通用性強等優(yōu)點。

缺點：要高溫煅燒、能量消耗大、反應時間長、設備腐蝕嚴重、石墨流失量大以及廢水污染嚴重等。

氫氟酸法

石墨的耐酸性很好，尤其是對氫氟酸的耐性極強。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硅酸巖類與氫氟酸發(fā)生反應生成氟硅酸(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等反應會得到沉淀。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等雜質元素的干擾。

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

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

高溫法

石墨是一種高熔點高沸點的物質，其熔沸點要遠遠高于硅酸鹽材料，硅酸鹽的沸點是2750℃左右，石墨沸點為4500℃，熔點為3850±50℃。

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

優(yōu)點：通過此法能夠獲得純度高達99.99%的超高純石墨。

缺點：需要巨大金額的投資，同時生產過程中需要隔絕空氣，電爐加熱要求嚴苛。

氯化焙燒法

氯化焙燒法是利用雜質氧化物的熔沸點比雜質氯化物的熔沸點高這一特點實現(xiàn)對石墨的提純。

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進行化學反應，石墨中的雜質最終轉變成氣相或凝聚相的金屬氯化物及絡合物，與石墨分離，從而達到獲得高純石墨的目的。

優(yōu)點：節(jié)能、回收率高、提純效果好等。

缺點：氯氣有毒，在生產過程中會對操作人員造成一定損害，并且腐蝕性十分嚴重，污染環(huán)境。此外，工藝穩(wěn)定性不足，獲得的石墨產品純度有限，這一系列缺點限制了其在工業(yè)中的應用。

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