Grafít, sem allotrope kolefnis, hefur marga sérstaka eiginleika vegna einstakrar kristalbyggingar. Grafítkristallar tilheyra sexhyrningakerfinu og hafa lagskipt fyrirkomulag. Í hverju lagi eru kolefnisatóm tengd hvert öðru í einstöku fyrirkomulagi, þar sem sex kolefnisatóm mynda reglulega sexhyrnda hringi á sama plani og hvert kolefnisatóm er umkringt þremur aðliggjandi kolefnisatómum. Tvær 2p rafeindir hornrétt á kolefnisatómplanin, sem taka ekki þátt í blendingunni, geta hreyft sig frjálslega innan kristalgrindarinnar og skarast til að mynda π tengi, þannig að grafítið hefur góða raf- og hitaleiðni.
Grafít er frábær leiðari, sem hefur ekki aðeins góða hitaleiðni heldur einnig framúrskarandi rafleiðni. Á sama tíma sýnir það mikla reglulega stífleika og styrk, viðheldur sterkum og stöðugum eiginleikum sínum, jafnvel í háum-hitaumhverfi sem fara yfir 3600 gráður. Grafít er einnig mjög vinsælt fyrir framúrskarandi smureiginleika, efnafræðilega tregðu og tæringarþol, sem gerir það víða notað á fjölmörgum sviðum [3].
Byggt á mismunandi kristallaformum náttúrulegs grafíts, er hægt að flokka það iðnaðarlega í kristallað grafít og aphanitic (myndlaust) grafít. Þar á meðal er hægt að skipta kristallað grafít með betri kristöllun frekar í molt grafít (massíft kristallað grafít) og flögu grafít.
Flögugrafít kemur venjulega fram sem einstakir kristallar eða sem samhliða kristalsamvextir í formi þunnra laka og flaga. Kristallað form þess er venjulega vel-þróað og kemur oft fyrir sem fyllingar, með kristalkornastærðir yfirleitt yfir 1 μm. Náttúrulega námu grafítgrýti hefur tiltölulega lága einkunn, en samanborið við aðrar tegundir grafíts, sýnir það yfirburða flothæfni, smurhæfni og mýkt, sem almennt gefur flögugrafít hærra efnahagslegt gildi. Klumpur grafít hefur venjulega kolefnisinnihald um 60%-65%, þar sem sumt nær yfir 80%, en mýkt þess og smurhæfni eru lakari en flögugrafít.
Vegna lélegrar kristöllunar er kristalformgerð afanítísks grafíts aðeins sýnileg í rafeindasmásjá og það virðist jarðbundið með berum augum; þess vegna er það einnig þekkt sem jarðbundið, myndlaust eða örkristallað grafít. Afanítískt grafít hefur tiltölulega lítinn ljóma og smurhæfni þess getur ekki borið saman við flögugrafít. Hins vegar er einkunn þess almennt hærri, þar sem sumir ná jafnvel yfir 90% [4].
2. Notkun grafíts
Náttúrulegt grafít hefur framúrskarandi eðlisefnafræðilega eiginleika, sem leiðir til margs konar notkunar. Það gegnir óbætanlegu og mikilvægu hlutverki í fjölmörgum atvinnugreinum, þar á meðal málmvinnslu, smurningu, þéttingu, kjarnorku og orkugeymslu.
Í málmvinnsluiðnaðinum er náttúrulegt grafít kjarnahráefni fyrir eldföst efni og steypuvinnslu. Með því að nýta góða rafleiðni og háan-hitaviðnám, þjóna grafítrafskautum sem lykilhlutir í stálframleiðslu rafbogaofna og aðlagast áreiðanlega að bræðsluskilyrðum við háan-hita. Samtímis eru eldföst efni sem byggjast á grafít, með áreiðanlega háa-hitaþol og veðrunarþol, mikið notað sem fóðrunarvirki í stálbræðslu, ó-járnmálmbræðslu og ýmsum há-málmvinnsluofnum, sem gerir þau að ómissandi grunnefni fyrir málmvinnslu [5].
Á sviði smurningar eru smurefni ómissandi í nútíma lífi, notuð í bíla, skip, flugvélar og vélar. Við ákveðnar sérstakar aðstæður, eins og háan hita, getur afköst smurolíu minnkað verulega, sem oft leiðir til ófullnægjandi smurningar. Tengikrafturinn milli grafítlaga er veikur, sem gerir kleift að renna auðveldlega undir utanaðkomandi krafti; því sýnir grafít framúrskarandi smureiginleika og er tilvalið fast smurefni. Þar að auki, vegna mikillar-hitaþols, geta grafít-sleipiefni virkað á áhrifaríkan hátt í erfiðu umhverfi eins og háum hita og náð góðum árangri [6].
Á þéttingarsviðinu eru grafítþéttingarefni, vegna framúrskarandi tæringarþols, hás-hitaþols og stöðugleika í byggingu, útbreidd notkun í iðnaði eins og efnaverkfræði, vélum og rafeindatækni. Byggt á einstaka lagskiptu uppbyggingu og góðum þéttingareiginleikum getur náttúrulegt grafít á áhrifaríkan hátt lagað sig að þéttingarskilyrðum í ýmsum vélrænum búnaði, viðhaldið stöðugri frammistöðu í flóknu og erfiðu umhverfi og lengt endingartíma þéttihluta verulega [5]. Að auki getur þjöppun á gljúpu,-yfirborðs-orkustækkuðu grafíti framleitt sveigjanleg grafítblöð. Vegna mikils-hitaþols, tæringarþols, efnafræðilegs stöðugleika og ákveðins vélræns styrks geta þessi blöð virkað á áhrifaríkan hátt við sérstakar aðstæður og áunnið sér sveigjanlegt grafít orðspor „þéttikóngsins“ [6].
Í kjarnorkugeiranum er-náttúrulegt grafít með miklum hreinleika kjarnahráefnið til að framleiða nifteindastýritæki í kjarnakljúfum. Framúrskarandi nifteindahömlunarframmistaða hans og stöðugleiki við háan-byggingu gera það að lykilefni fyrir kjarnorkuver og kjarnorkurannsóknarstöðvar. Í tilteknum gerðum kjarnakljúfa getur náttúrulegt grafít einnig þjónað sem byggingarefni, nýtt sér góðan vélrænan styrk, geislunarþol og háan-hitaþol til að viðhalda langtíma-stöðugri þjónustu við erfiðar aðstæður með háum hita og mikilli geislun, án þess að aflagast auðveldlega eða bila, og tryggja þannig öruggan rekstur kjarna [5].
Á sviði orkugeymslu, með hraðri þróun nýja orkuiðnaðarins, heldur eftirspurn eftir náttúrulegu grafíti áfram að stækka. Hraður vöxtur litíum rafhlöðuiðnaðarins hefur verulega ýtt undir eftirspurn markaðarins eftir rafskautaefnum og náttúrulegt grafít, með einstaka rafefnafræðilega eiginleika þess, er ákjósanlegt hráefni til framleiðslu á rafskautum fyrir litíum rafhlöður. Eins og er, treysta fjölmörg svið eins og ný orkutæki, grunnstöðvar fyrir farsímasamskipti og örnet á litíum rafhlöðum sem kjarna aflgjafa, sem tryggir að grafít litíum rafhlöðu rafskautaefni munu halda áfram að búa yfir sterkri samkeppnishæfni iðnaðarins á nýjum orkumarkaði í framtíðinni [7].
3. Grafíthreinsunaraðferðir
Eins og er er hægt að flokka náttúrulegar grafíthreinsunaraðferðir í eðlisfræðilegar og efnafræðilegar aðferðir. Meðal þeirra eru eðlisfræðilegar hreinsunaraðferðir aðallega aðferðir við flot og háan-hita; efnahreinsunaraðferðir fela í sér basa-sýruaðferðina, flúorsýruaðferðina og klórunarbrennsluaðferðina.
3.1 Flotaðferð
Flotaðferðin er steinefnavinnsluferli sem aðskilur fast steinefni frá vatnskenndri sviflausn byggt á mismunandi eðlis- og efnafræðilegum eiginleikum yfirborðs þeirra. Yfirborð grafít er ekki auðvelt að bleyta af vatni, sem gefur því góða flothæfni og gerir það auðvelt að skilja frá óhreinindum, sem gerir það hentugt til hreinsunar með floti [8].
Heildarferlisflæði flotaðferðarinnar felur aðallega í sér þrjú kjarnaþrep: mala, flotaðskilnað og miðlungs endurrás. Fyrst er hráa náttúrulega grafítgrýti mulið og malað. Með vélrænni mölun næst bráðabirgðalosun grafíteinliða úr óhreinindum úr gangtegundum, sem leggur grunninn að síðari aðskilnaðaraðgerðum. Eftir mölun er grafítkvoða blandað og bleytt með sérstökum efnafræðilegum hvarfefnum. Með breytingu á hvarfefni er yfirborðsspennumunur grafítsins fínstilltur, sem víkkar fljótandi bilið milli grafíts og óhreinindasteinda og skapar aðstæður til að fjarlægja óhreinindi á skilvirkan hátt. Í kjölfarið er sameinað flotferli sem felur í sér margþætta grófgerð, hreinsun og hreinsun notað til að fjarlægja óhreinindi smám saman úr deiginu og auka hreinleika grafítþykknisins í raun. Meðan á flotferlinu stendur er viðeigandi flothvarfefnum bætt við til að bæta enn frekar flothæfni grafíts og auka skilvirkni skilvirkni. Oft notaðir iðnaðarsafnarar eru dísilolía, steinolía, furuolía osfrv. [9].
Flotaðferðin, sem fyrsta skrefið í grafíthreinsun, á fyrst og fremst við um formeðferð á lág-kolefni, stórum-flögum grafíts. Þetta ferli hefur þroskað tæknikerfi, einfaldan stuðningsbúnað, litla heildarorkunotkun og stjórnanlegan framleiðslukostnað, sem býður upp á verulegan efnahagslegan ávinning. Það er mjög hagkvæm -grófhreinsunartækni fyrir grafít í iðnaði. Hins vegar hefur flotaðferðin athyglisverðar takmarkanir og hentar ekki til skilvirkrar hreinsunar á örkristölluðu grafíti. Samanborið við kristallað grafít hefur örkristallað grafít almennt lægra heildarmagn óhreininda, en einstakt ástand óhreininda þess takmarkar verulega virkni þess að fjarlægja flotóhreinindi. Örkristallaðar grafítagnir eru einstaklega fínar og nátengdar gangsteinefnum, oft innbyggðar í leirsteinefni. Við mölun er erfitt að ná nægilegri losun grafíteinliða úr óhreinindum, sem leiðir til verulegrar minnkunar á skilvirkni flotaðskilnaðar. Þegar öllu er á botninn hvolft er erfitt að fá há-grafítþykkni, þar sem það uppfyllir ekki kröfur hágæða iðnaðarforrita. Í stuttu máli, grafítflotferlið getur aðeins þjónað sem aðalhreinsunaraðferð, aðallega notuð til að fjarlægja flest auðskiljanleg óhreinindi úr hráu grafítgrýti, draga í raun úr neyslu hvarfefna og orkutapi í síðari djúphreinsunarferlum og veita hágæða hráefnisgrunn til frekari hreinsunar [10-11].
3.2 Háhitaaðferð.-
Há-hitaaðferðin notar muninn á suðumarki milli grafíts (hátt bræðslumark) og óhreininda (lægra suðumark). Undir vernd óvirks andrúmslofts er hitastiginu stýrt innan viðeigandi marka, sem veldur því að óhreinindi með lægri-suðumark- eins og málmaoxíð og silíköt gufa upp og sleppa fyrst, á meðan há-bræðslumark-kolefnisins er áfram í föstu formi og nær þannig djúpum aðskilnaði og hreinsun [12].
Hráefnin sem notuð eru í há-hitaaðferðinni eru venjulega grafítþykkni sem fæst eftir flothreinsun eða há-kolefnisgrafít sem fæst eftir efnahreinsun, með kolefnisinnihald yfirleitt á bilinu 95% til 99% [13]. Þessi aðferð getur náð grafíthreinleika upp á um 99,995%. Þó að það geti á áhrifaríkan hátt fjarlægt óhreinindi sem eru felld inn í grafítgrindurnar án þess að eyðileggja grafítbygginguna, og á skilvirkan hátt bæta gæði vörunnar, á það oft aðeins við um hátæknigeira eins og varnarmál, kjarnorkuiðnað og geimfar. Þetta er vegna þess að gallar aðferðarinnar eru miklir: hún krefst krefjandi búnaðar, mikillar orkunotkunar og hefur umtalsverðan fjárfestingar- og rekstrarkostnað í för með sér, sem gerir hana óhagstæða fyrir stórframleiðslu og þjónar fyrst og fremst hágæða grafítvörum [12].
3.3 Alkali-Sýraaðferð
Alkalí-sýruaðferðin, sem samanstendur af tveimur ferlum-alkalísamruna og sýruútskolun- í röð í samræmi við iðnaðarflæði, er tiltölulega áhrifarík aðferð til að hreinsa náttúrulegt grafít. Alkalísamrunaferli: Með því að nota grafítþol gegn sýrum og basa er grafít og basa blandað jafnt í ákveðnu hlutfalli og síðan brennt við háan hita. Í bráðnu ástandi hvarfast óhreinindi eins og álsílíköt, kvars og silíköt í grafítinu efnafræðilega við basann og myndar sýru-leysanleg eða vatns-leysanleg silíköt, sem síðan eru fjarlægð með vatnsþvotti. Sýru útskolunarferli: Alkalí-blandað grafít og hýdroxíð eru háð heitskolun með saltsýrulausn af ákveðnum styrkleika, sem breytir málmoxíðum í leysanleg sölt. Að lokum, með ferlum eins og þvotti og afvötnun, fæst hreinsað grafít.
Sem stendur er basa-sýruaðferðin sú hreinsunaraðferð sem almennt er notuð af há-hreinleika grafítframleiðendum í Kína. Stærstu kostir þess eru meðal annars lítil upphafleg fjárfesting, einfaldur viðbragðsbúnaður, mikil fjölhæfni, góð aðlögunarhæfni að vinnslu og tiltölulega hár hreinleiki og gæði afurðanna sem fæst. Ókostirnir eru nauðsyn brennslu við háan hita, verulegt slit á orku og búnaði, tiltölulega lítil hreinsunarvirkni, verulegt tap á verðmætum steinefnum og möguleiki á umhverfismengun [14].
3.4 Flúorsýruaðferð
Fluorsýra (HF) er sterk sýra sem getur hvarfast við flest óhreinindi í grafíti. Hins vegar hefur grafít venjulega góða sýruþol við stofuhita og er efnafræðilega stöðugt, sérstaklega þar sem það hvarfast ekki við flúorsýru. Með því að bleyta grafít í flúorsýru, leyfa hvarf með tímanum, fylgt eftir með þvotti og síun, verður grafít eftir tiltölulega -hreint.
Hreinsun með flúorsýruaðferðinni getur fjarlægt flest óhreinindi úr grafíti, sem skilar há-hreinleika grafíti með litlum tilkostnaði. Það er ein af einfaldari og skilvirkari aðferðum til grafíthreinsunar. Hins vegar er flúorsýra mjög eitruð og hefur í för með sér verulega öryggishættu meðan á framleiðsluferlinu stendur, sem kemur í veg fyrir útbreidda upptöku og notkun hennar í iðnaðarframleiðslu [15].
3.5 Klórunarbrennsluaðferð
Klórbrennsluaðferðin felur í sér að bæta ákveðnu magni af afoxunarefni (klórgas, koltetraklóríð) í grafít og brenna við háan hita undir sérstöku andrúmslofti. Oxíðóhreinindi hvarfast við klórgas í klórunarhvarfi og breyta þeim í klóríð. Óhreinindi eins og silíköt, álúnsílíköt og kvars í grafítinu brotna niður í oxíð eins og kísildíoxíð, áloxíð, járnoxíð og kalsíumoxíð við há-hitun. Þar sem suðumark þessara klóríða er tiltölulega lágt, gufa þau upp og sleppa við há-brennsluferlið, þannig að óhreinindi fjarlægja og hreinsa.
Klórbrennsluaðferðin fjarlægir óhreinindi með því að bæta við afoxandi lofttegundum eins og klór til að breyta óhreinindum í klóríðform. Þessi aðferð býður upp á mikla hreinsunarhagkvæmni og gott endurheimtarhlutfall. Hins vegar er klórgas hættuleg lofttegund sem er skaðleg umhverfinu og ferlið einkennist af óstöðugleika sem takmarkar þróun þess [16].