Ο γραφίτης είναι ένας από τους απαραίτητους στρατηγικούς πόρους μιας χώρας και έχει καταχωρηθεί από διάφορες χώρες ως σημαντική μη-μη μεταλλική πρώτη ύλη και κρίσιμο ορυκτό. Λόγω της καλής ηλεκτρικής αγωγιμότητας, της θερμικής αγωγιμότητας, της αντοχής στη διάβρωση, της αντίστασης στην ακτινοβολία και άλλων ιδιοτήτων του, χρησιμοποιείται ευρέως σε χημικά, αεροδιαστημική, ατομική ενέργεια, νέα ενέργεια και άλλα πεδία υψηλής- τεχνολογίας.
Εφαρμογές του Γραφίτη στην Παραδοσιακή Βιομηχανία
Στον τομέα των παραδοσιακών-ανθρακωδών πυρίμαχων υλικών υψηλής ποιότητας, ο γραφίτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή εμπορευματοκιβωτίων ανθεκτικών σε υψηλές{{1}θερμοκρασίες-, όπως βάρκες γραφίτη και χωνευτήρια γραφίτη, λόγω της υψηλής- αντοχής του σε θερμοκρασία. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως πρόσθετο ή πληρωτικό σε συνδυασμό με άλλα υλικά. Στη διαδικασία χύτευσης χάλυβα, πρέπει να προστεθεί ένας επανανθρακωτής για να αντισταθμιστεί η απώλεια άνθρακα κατά τη χύτευση και ο γραφίτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως επανανθρακωτής.
Στη βιομηχανία κατασκευής διαμαντιών, τα διαμάντια χωρίζονται σε φυσικά διαμάντια και συνθετικά διαμάντια. Τα φυσικά διαμάντια έχουν εξαιρετικές ιδιότητες, αλλά οι πόροι τους είναι περιορισμένοι και δεν είναι εύκολο να αποκτηθούν. Τα συνθετικά διαμάντια που κατασκευάζονται με γραφίτη ως πηγή άνθρακα έχουν ιδιότητες σχεδόν πανομοιότυπες με εκείνες των φυσικών διαμαντιών, με χαμηλό κόστος σύνθεσης και υψηλή{2}}αποτελεσματικότητα κόστους. Ως εκ τούτου, τα συνθετικά διαμάντια είναι ευρέως δημοφιλή στην αγορά. Όσο υψηλότερη είναι η καθαρότητα του γραφίτη, τόσο πιο ευνοϊκός είναι για τη σύνθεση διαμαντιών.
Στον τομέα των πυρηνικών υλικών, η πυρηνική ενέργεια είναι μια καθαρή και αποδοτική πηγή ενέργειας. Η ανάπτυξη της πυρηνικής ενέργειας μπορεί να λύσει το πρόβλημα της μελλοντικής εξάντλησης της ενέργειας. Επειδή οι πυρηνικοί αντιδραστήρες έχουν ισχυρή διαβρωτική επίδραση στα υλικά και λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες, δεν είναι όλα τα υλικά κατάλληλα. Τα υλικά από άνθρακα-γραφίτη έχουν χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής, καλή αντοχή σε θερμικό σοκ και χαμηλή ενεργοποίηση νετρονίων, γεγονός που τα καθιστά κατάλληλα ως υλικά πυρηνικών αντιδραστήρων. Ως υλικά που χρησιμοποιούνται στην πυρηνική βιομηχανία, ειδικά σε αντιδραστήρες που ψύχονται με αέριο-υψηλής θερμοκρασίας, η περιεκτικότητα σε τέφρα και βόριο απαιτείται να είναι μικρότερη από 50 ppm και 0,1 ppm, αντίστοιχα.
Στον τομέα της λίπανσης, το λιπαντικό είναι μια απαραίτητη ουσία στη σύγχρονη ζωή. Τα αυτοκίνητα, τα πλοία, τα αεροσκάφη, οι εργαλειομηχανές και άλλα πεδία δεν μπορούν να κάνουν χωρίς λιπαντικό. Σε ορισμένα ειδικά περιβάλλοντα, όπως συνθήκες υψηλής- θερμοκρασίας, η απόδοση του λιπαντικού λαδιού μειώνεται σημαντικά και είναι πιθανό να παρουσιαστούν προβλήματα όπως η ανεπαρκής λιπαντικότητα κατά τη χρήση. Η δύναμη δέσμευσης μεταξύ των στρωμάτων γραφίτη είναι μικρή, και υπό εξωτερική δύναμη, η ολίσθηση συμβαίνει εύκολα. Επομένως, ο γραφίτης έχει εξαιρετική λιπαντική απόδοση και είναι ένα ιδανικό στερεό λιπαντικό.
Στο πεδίο σφράγισης, εύκαμπτα φύλλα γραφίτη μπορούν να ληφθούν με συμπίεση και χύτευση διογκωμένου γραφίτη, ο οποίος είναι χαλαρός, πορώδης και έχει υψηλή επιφανειακή ενέργεια. Επειδή ο εύκαμπτος γραφίτης είναι ανθεκτικός στις υψηλές θερμοκρασίες και στη διάβρωση, έχει σταθερές χημικές ιδιότητες και έχει μια ορισμένη αντοχή, μπορεί να παίξει ρόλο σε ορισμένα ειδικά περιβάλλοντα. Ως εκ τούτου, ο εύκαμπτος γραφίτης απολαμβάνει τη φήμη του "King of Sealing".
Μέθοδοι καθαρισμού γραφίτη
Η καθαρότητα του γραφίτη έχει καθοριστικό αντίκτυπο τόσο στα πεδία εφαρμογής όσο και στην οικονομική αξία του γραφίτη. Επί του παρόντος, είτε χρησιμοποιούνται για την κατασκευή συνθετικών διαμαντιών, υλικών ανόδου μπαταριών ιόντων λιθίου, εύκαμπτων υλικών γραφίτη ή υλικών γραφίτη υψηλής ποιότητας που χρησιμοποιούνται στην αεροδιαστημική και την πυρηνική βιομηχανία, ο γραφίτης απαιτείται να έχει σταθερή περιεκτικότητα σε άνθρακα μεταξύ 99% και 99,99%. Όσο υψηλότερη είναι η καθαρότητα του γραφίτη, τόσο πιο σταθερή είναι η ηλεκτρική αγωγιμότητα, η λίπανσή του και άλλες ιδιότητες και τόσο μεγαλύτερη είναι η αξία εφαρμογής του υλικού. Ως εκ τούτου, η καθαρότητα του γραφίτη έχει γίνει ένας από τους σημαντικούς δείκτες για τη μέτρηση της ποιότητας του γραφίτη και η τεχνολογία καθαρισμού γραφίτη έχει γίνει βασική τεχνολογία στη βιομηχανία γραφίτη.
Μέθοδος επίπλευσης
Η επίπλευση είναι η πιο βασική μέθοδος καθαρισμού. Χρησιμοποιεί τη διαφορά στην επιπλευσιμότητα μεταξύ των χρήσιμων ορυκτών και των ορυκτών gangue για διαχωρισμό. Μέσω της επίπλευσης, η περιεκτικότητα σε σταθερό άνθρακα του γραφίτη μπορεί να αυξηθεί σε περίπου 80%-95%. Ο καθαρισμός του γραφίτη με επίπλευση είναι η μέθοδος με το χαμηλότερο-κόστος.
Η επίπλευση έχει επίσης τους περιορισμούς της. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συνεχούς λείανσης και επίπλευσης, χρήσιμα ορυκτά και ορυκτά γάγγας σταδιακά απελευθερώνονται ως μεμονωμένα σωματίδια και τα περισσότερα απομακρύνονται με επίπλευση. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της συνεχούς άλεσης, η επίδραση της άλεσης στην απελευθέρωση ορυκτών γάγγας εξασθενεί συνεχώς και η αύξηση της περιεκτικότητας σε σταθερό άνθρακα του γραφίτη είναι περιορισμένη. Επομένως, η επίπλευση μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για τον πρωτογενή καθαρισμό του γραφίτη, ενώ ο γραφίτης υψηλής{3}καθαρότητας απαιτεί μεθόδους χημικού καθαρισμού.
Μέθοδος υψηλής- θερμοκρασίας
Η μέθοδος υψηλής- θερμοκρασίας εκμεταλλεύεται κυρίως το γεγονός ότι ο γραφίτης έχει υψηλότερο σημείο βρασμού από άλλες ακαθαρσίες στο μετάλλευμα γραφίτη. Μέσω της πύρωσης σε εξαιρετικά-υψηλές-θερμοκρασίες, οι ακαθαρσίες εξατμίζονται και απομακρύνονται, δημιουργώντας έτσι ένα προϊόν καθαρισμού γραφίτη εξαιρετικά-υψηλής-καθαρότητας. Αυτό συμβαίνει επειδή το σημείο βρασμού του γραφίτη είναι 4500 μοίρες, ξεπερνώντας βασικά τα σημεία βρασμού όλων των ακαθαρσιών. Στην πραγματική παραγωγή, χρησιμοποιείται γενικά ένα χωνευτήριο γραφίτη για τη συγκράτηση της σκόνης γραφίτη, η οποία στη συνέχεια τοποθετείται σε κλίβανο υψηλής θερμοκρασίας και ρυθμίζεται σε μια θερμοκρασία. Η θερμοκρασία αυξάνεται πάνω από τη θερμοκρασία εξάτμισης των ακαθαρσιών (με το προστατευτικό αέριο που εισάγεται για να αποφευχθεί η οξείδωση του υλικού) και στη συνέχεια το υλικό διατηρείται σε υψηλή θερμοκρασία έτσι ώστε ακαθαρσίες χαμηλού σημείου βρασμού{12}}να εξατμίζονται από το χωνευτήριο, επιτυγχάνοντας έτσι καθαρισμό από γραφίτη. Η μέθοδος υψηλής θερμοκρασίας{14}}μπορεί να καθαρίσει τις πρώτες ύλες από 95%-99% έως 99,99%.
Η μέθοδος υψηλής- θερμοκρασίας μπορεί να κάνει την καθαρότητα του γραφίτη να φτάσει περίπου το 99,995%, και μπορεί να προστατεύσει τη δομή του γραφίτη και να βελτιώσει την ποιότητα των προϊόντων γραφίτη. Τα προϊόντα μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην εθνική άμυνα, την πυρηνική βιομηχανία, την αεροδιαστημική και άλλους τομείς υψηλής-τεχνολογίας.
Μέθοδος Υδροφθορικού Οξέος
Η μέθοδος υδροφθορικού οξέος έχει τα πλεονεκτήματα της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, μιας απλής ροής διεργασίας, υψηλής απόδοσης καθαρισμού, υψηλής περιεκτικότητας σε σταθερό άνθρακα στον λαμβανόμενο γραφίτη και μικρή επίδραση στην απόδοση των προϊόντων γραφίτη. Ωστόσο, έχει αυστηρές απαιτήσεις για τον εξοπλισμό και τις συνθήκες παραγωγής και τα λύματα είναι δύσκολο να επεξεργαστούν, με αποτέλεσμα υψηλό κόστος προστασίας του περιβάλλοντος. Με τον έλεγχο της ποσότητας και του τρόπου δράσης του υδροφθορικού οξέος, η μέθοδος καθαρισμού του υδροφθορικού οξέος έχει βελτιστοποιηθεί. Κατά τη διαδικασία καθαρισμού, το υδροφθορικό οξύ μπορεί να αντιδράσει χημικά με όλες σχεδόν τις ακαθαρσίες και να τις μετατρέψει σε διαλυτές ουσίες. Προκειμένου να αφαιρεθούν αποτελεσματικά αυτές οι ακαθαρσίες, μπορούν να καθαριστούν με απλό πλύσιμο με νερό, επιτυγχάνοντας έτσι τον καθαρισμό του γραφίτη. Αυτή η διαδικασία βοηθά στη βελτίωση της καθαρότητας του γραφίτη και έτσι ανταποκρίνεται στις ανάγκες διαφόρων βιομηχανικών εφαρμογών.
Αλκαλική-Μέθοδος με οξύ
Η μέθοδος αλκαλικού-οξέος περιλαμβάνει δύο διεργασίες: σύντηξη αλκαλίων και όξινη πέψη. Δηλαδή, οι όξινες ακαθαρσίες του γραφίτη, όπως τα πυριτικά, τα αργιλοπυριτικά και ο χαλαζίας, αντιδρούν πρώτα χημικά με αλκαλικές ουσίες σε τετηγμένη κατάσταση για να σχηματίσουν διαλυτά άλατα, τα οποία στη συνέχεια απομακρύνονται με πλύση με νερό. Μετά από αυτό, ακαθαρσίες που δεν αντέδρασαν με το αλκάλιο κατά τη σύντηξη αλκαλίων, όπως οξείδια μετάλλων, αντιδρούν με οξύ για να σχηματίσουν όξινα-διαλυτές ενώσεις, οι οποίες στη συνέχεια υποβάλλονται σε πλύση με νερό και διήθηση για να επιτευχθεί τελικός καθαρισμός του γραφίτη. Στη διαδικασία σύντηξης αλκαλίων, το NaOH επιλέγεται συνήθως ως αλκαλική ουσία επειδή έχει χαμηλό σημείο τήξης (σημείο τήξης 318 βαθμοί), ισχυρή αλκαλικότητα και χαμηλή τιμή. Το οξύ που χρησιμοποιείται στη διαδικασία πέψης με οξύ μπορεί να είναι HCl, H2SO4, HNO3, ή ένα μικτό οξύ που παρασκευάζεται από αυτά, μεταξύ των οποίων το HCl χρησιμοποιείται πιο συχνά.
Μέθοδος καβουρδίσματος με χλωρίωση
Προκειμένου να μειωθεί η θερμοκρασία που απαιτείται για την πύρωση σε υψηλές{{0} θερμοκρασίες, χρησιμοποιείται επίσης μια μέθοδος εισαγωγής αερίου χλωρίου για τη μετατροπή των ακαθαρσιών σε χλωρίδια και στη συνέχεια ο διαχωρισμός τους. Αυτό το σχετικά καλά καθιερωμένο-σύστημα ονομάζεται μέθοδος ψησίματος με χλωρίωση. Στη μέθοδο ψησίματος με χλωρίωση, ο γραφίτης αναμιγνύεται με έναν αναγωγικό παράγοντα σε μια ορισμένη αναλογία και πυρώνεται σε υψηλή θερμοκρασία υπό προστασία αδρανούς αερίου, αποσυνθέτοντας ακαθαρσίες στον γραφίτη σε οξείδια όπως SiO2, Fe2O3 και Al2O3. Στη συνέχεια εισάγεται αέριο χλώριο και σε υψηλή θερμοκρασία 400–1200 βαθμών, τα οξείδια μετατρέπονται σε χλωρίδια και σύμπλοκα με χαμηλότερα σημεία τήξης και βρασμού, τα οποία εξατμίζονται και διαφεύγουν, επιτυγχάνοντας έτσι τον σκοπό του καθαρισμού.