國內(nèi)外石墨提純進(jìn)展述評

摘 要：石墨是一種戰(zhàn)略資源，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及現(xiàn)代化建設(shè)具有重要作用。我國石墨資源儲備巨大，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)，是一種不可或缺的非金屬材料。本文簡單論述了國內(nèi)外提純石墨的主要方法，重點(diǎn)介紹獲取高純石墨的方法。對比浮選法、氯化焙燒法、酸堿法、氫氟酸法、高溫法的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為結(jié)合化學(xué)法與高溫法是石墨提純工藝的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：石墨；高純石墨；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.12.181

1 引言

1.1 石墨結(jié)構(gòu)及性能

石墨是元素碳的結(jié)晶礦物之一，具有層狀原子結(jié)構(gòu)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，經(jīng)過特殊加工的石墨可耐高溫、抗腐蝕。除此之外，石墨還具有強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、可塑性強(qiáng)、抗熱震性好等優(yōu)良的性能，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化升級將增加石墨消費(fèi)，同時(shí)我國大力發(fā)展戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，也必將帶動(dòng)石墨產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

1.2 石墨的用途

含碳量高于99.99%的石墨即為高純石墨。高純石墨導(dǎo)電性強(qiáng)、耐高溫等性能優(yōu)越，可被制成耐火磚、坩堝等耐火部件；也可作為蓄電池的材料、摩擦材料、新型石墨材料原料[1]。目前在冶金工業(yè)、鑄造工業(yè)、電氣工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、核工業(yè)、航天工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[3]，可作為環(huán)保材料、熱交換材料、儲能材料、導(dǎo)電材料、二次鋰離子電池材料等。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高純石墨的應(yīng)用范圍仍在不斷擴(kuò)大。國內(nèi)石墨價(jià)格低廉，加工水平停留在初級階段，生產(chǎn)的石墨應(yīng)用受限，造成石墨資源外流，而本國所需高純石墨制品需大量進(jìn)口。

1.3 我國石墨資源分布

我國石墨礦床類型主要有區(qū)域變質(zhì)型、接觸變質(zhì)型、巖漿熱液型。工業(yè)上根據(jù)石墨結(jié)晶形態(tài)的不同可將石墨分為晶質(zhì)和隱晶質(zhì)石墨礦石，晶質(zhì)石墨指肉眼或普通顯微鏡下即可觀察到晶體形狀的石墨，其直徑大于1μm，無法辨認(rèn)晶體形狀的即為隱晶質(zhì)石墨。我國礦產(chǎn)地分布廣泛，晶質(zhì)石墨礦床主要分布于黑龍江、內(nèi)蒙古、山西、陜西、山東等20余?。ㄗ灾螀^(qū)）；隱晶質(zhì)礦床主要分布于內(nèi)蒙古、湖南、陜西、山東等10余?。ㄗ灾螀^(qū)）。相對集中的特點(diǎn)便于集中建設(shè)石墨基地。

2 石墨提純方法

2.1 浮選法

天然鱗片狀石墨的可浮性好，主要采用浮選法進(jìn)行提純。由于石墨鱗片中常嵌布有硅酸鹽礦物和鉀、鈣、鈉、鎂、鋁等化合物，單體解理較困難，物理選礦提純效果不理想。浮選法只能對石墨進(jìn)行初步提純，且回收率低，若想進(jìn)一步提高石墨純度，必須借助化學(xué)方法或熱力學(xué)方法。但它具有能耗低、成本低的優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用廣泛。

2.2 化學(xué)法

2.2.1 氯化焙燒法

氯化焙燒法提純石墨是在石墨中添加一定量的還原劑，提供一定的高溫進(jìn)行焙燒，利用氯氣與石墨中雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)達(dá)到提純目的。氯化焙燒法雖然具有低的焙燒溫度和較小的氯氣消耗量使石墨的生產(chǎn)成本有較大的降低，但因氯氣有毒，腐蝕性極強(qiáng)，對設(shè)備操作要求較高，對尾氣必須妥善處理，且生產(chǎn)的石墨無法達(dá)到極限純度，所以在一定程度上限制了其推廣應(yīng)用[2-3]。

2.2.2 酸堿法

酸堿法是應(yīng)用于石墨提純較為廣泛的工藝，在石墨中加入氫氧化鈉，混合均勻后在高溫下焙燒，石墨中部分雜質(zhì)與氫氧化鈉反應(yīng)生成可溶性物質(zhì)，該部分雜質(zhì)與石墨分離后，再用鹽酸浸出另一部分雜質(zhì)，從而達(dá)到提高石墨純度目的。酸堿法存在雜質(zhì)處理不完全，除雜過程中生成的硅酸鹽難以除去的缺點(diǎn)，但由于酸堿法操作簡單，無有害廢棄物產(chǎn)生，葛鵬等人對該方法進(jìn)行了優(yōu)化，提出加堿焙燒浸出法。在提高焙燒溫度的基礎(chǔ)上，增加水浸工序，改善后的方法使石墨固定碳含量超過99.99%，同時(shí)大大了縮短工藝周期[4]。

2.2.3 氫氟酸法

氫氟酸法能與石墨中大部分雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成揮發(fā)物或可溶于水的化合物，用水沖洗后即可獲得純度較高的石墨。該方法具有效率高，能耗低，產(chǎn)品性能幾乎不受影響且品位高的優(yōu)勢。但由于氫氟酸毒性和腐蝕性很強(qiáng)，需給操作人員到位的安全防護(hù)，設(shè)備要求的提高成本隨之增加。提純石墨產(chǎn)生的廢液有毒性和腐蝕性，需經(jīng)過處理才能排放，也大大提高了成本。

2.3 高溫法

石墨具有高熔點(diǎn)和高沸點(diǎn)，雜質(zhì)的熔沸點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石墨，因此可利用這一性質(zhì)使雜質(zhì)在高溫下氣化脫除，達(dá)到石墨提純目的，理論上溫度達(dá)2700℃以上即可實(shí)現(xiàn)。高溫法優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品的含碳量可高達(dá)99.995%以上，缺點(diǎn)是所需溫度高，需設(shè)計(jì)建造高溫爐，造成成本提高，能量消耗大，技術(shù)要求高[4]。另外， 電費(fèi)高昂也使高溫法的應(yīng)用范圍十分受限，只有在有特殊要求時(shí)才考慮采用此方法進(jìn)行小規(guī)模生產(chǎn)。

3 結(jié)語與展望

我國石墨資源豐富，石墨材料已成為工業(yè)領(lǐng)域不可或缺的一部分?，F(xiàn)有的提純方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此在選擇提純工藝時(shí)需綜合原料的產(chǎn)地、原料的性質(zhì)、對環(huán)境的影響等各方面因素。

隨著環(huán)境問題的加劇，人們越來越重視環(huán)保，目前國內(nèi)外正逐步擺脫高能耗、高污染的石墨提純方法，朝著節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展。高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對高純石墨的需求量增加，低成本、高效率、高純度的提純工藝是石墨提純的發(fā)展方向。天然石墨品位不高，首先通過浮選法對石墨進(jìn)行初步的富集；結(jié)合化學(xué)法和高溫法進(jìn)一步獲得高純度石墨，具體方法要結(jié)合產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域等進(jìn)行操作。

目前我國提純石墨技術(shù)有限，高純石墨生產(chǎn)規(guī)模小，生產(chǎn)技術(shù)仍由國外公司壟斷，優(yōu)化我國高純石墨工藝流程，對于提高我國高純石墨提純在市場上的地位尤為重要。為此，我國應(yīng)加強(qiáng)國際間相關(guān)學(xué)術(shù)交流，積極引進(jìn)技術(shù)，增強(qiáng)理論研究，爭取實(shí)現(xiàn)再創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

[1]亨德GP.石墨的應(yīng)用展望[J].國外金屬礦選礦，1998（11）：39-40.

[2]謝剛，李曉陽，臧健，閻江峰，楊大錦，俞小花，于站良.高純石墨制備現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].云南冶金，2011（01）：48-51.

[3]葛鵬，王化軍，解琳，趙晶，張強(qiáng).石墨提純方法進(jìn)展[J].金屬礦山，2010（10）：38-43.

[4]李志遠(yuǎn)，李國榮.國內(nèi)外石墨提純技術(shù)的現(xiàn)狀分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2013（01）：64-65.

作者簡介：聶春晨（1997-），女，山東臨朐人，學(xué)士在讀，從事礦物加工相關(guān)專業(yè)研究。