石墨提純方法現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

魏麗丹 張文斌

(黑龍江工業(yè)學(xué)院 環(huán)境工程系，黑龍江 雞西 158100)

1 石墨的結(jié)構(gòu)

石墨是元素碳的一種同素異形體，每個碳原子的周邊連結(jié)著另外三個碳原子(排列方式呈蜂巢式的多個六邊形)以共價鍵結(jié)合，構(gòu)成共價分子。由于每個碳原子均會放出一個電子，那些電子能夠自由移動，因此石墨屬于導(dǎo)電體。石墨具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造組成單位為碳。碳原子排列成六方網(wǎng)狀層，面網(wǎng)結(jié)點(diǎn)上的碳原子相對于上下鄰層網(wǎng)格的中心，下圖表示石墨晶體層狀結(jié)構(gòu)中原子的中心位置和晶體結(jié)構(gòu)。

2 石墨制品的用途

石墨是一種穩(wěn)定的、可以導(dǎo)電的、具有層狀結(jié)構(gòu)的非金屬材料，用途非常廣泛。首先可用于各種電材料如石墨乳、石墨電極、石墨零件，不僅僅是整塊石墨材料的導(dǎo)電性能優(yōu)良，甚至單層石墨層(石墨烯)也具有相當(dāng)優(yōu)良的導(dǎo)電能力。石墨烯目前常用作鋰離子電池陰極材料、功能材料等[1],某些功能材料甚至于用在醫(yī)療領(lǐng)域[2]。石墨良好的力學(xué)性能可生產(chǎn)碳纖維材料，可膨脹性制備可膨脹石墨[3]，同時也用于做密封材料、碳分子篩和碳載體。由于熔沸點(diǎn)高，石墨在工業(yè)上用于生產(chǎn)耐火材料，包括耐火磚、坩堝、連續(xù)鑄造粉、鑄模芯、鑄模、洗滌劑和耐高溫材料。石墨與金剛石屬于同素異形體，可通過晶型轉(zhuǎn)化來生產(chǎn)金剛石[4]。

3 石墨提純方法及應(yīng)用現(xiàn)狀

石墨是一種用途廣泛的非金屬礦物，近年來用途日趨廣泛，如石墨涂料、超細(xì)石墨拉絲、石墨烯，等等，對石墨純度的要求也越來越高。石墨的提純方法除經(jīng)典的洗選之外還有化學(xué)提純和高溫石墨化法，其中洗選法工業(yè)化程度最高，處理量大，是目前主要采取的石墨預(yù)處理方法，經(jīng)過三浮九選純度可達(dá)96%[5]。

化學(xué)提純法中有氫氟酸法、堿酸法、氯化氧化法和高溫堿熔法。氫氟酸法效果好，可將洗選后的石墨純化至99.95%[6]，但由于其巨大的污染，現(xiàn)已不能大規(guī)模使用。工業(yè)中常用的化學(xué)提純法是堿酸法，使用不同的配方可以將石墨純化至99.9%[7-8]，但與氫氟酸法相比，由于要先用強(qiáng)堿熔融處理[9]，清水洗后再用混合酸浸泡，功耗、能耗、原材料的浪費(fèi)均比較嚴(yán)重，設(shè)備腐蝕也很重，且由于其時間長、廢水量大、處理較難而飽受詬病。氯化氧化法在1 000℃以上進(jìn)行反應(yīng)[10]，條件苛刻且處理不夠穩(wěn)定，污染很重，應(yīng)用較少。

高溫石墨化法需要加熱到3 000℃的高溫使雜質(zhì)氣化除去。黃桂榮等人的研究表明石墨在這樣的溫度下質(zhì)量虧損很少，不過該方法屬高耗能，并且在如此高溫的情況下，設(shè)備的要求很高，投資很大，因此需盡可能避免雜質(zhì)量過大導(dǎo)致高溫石墨化的壓力過大。為節(jié)約能源和資金，目前成功應(yīng)用的高純石墨生產(chǎn)是由洗選→化學(xué)提純→高溫石墨化三個部分組成。如果需要在高溫石墨化法的耗能壓力降低，則必須提高石墨化學(xué)提純的效率。王光民提出使用氫氟酸、硫酸、鹽酸的配比來解決石墨提純后的純度[11]，然而這一方法需要使用純度98%的石墨，這需要經(jīng)過堿酸法的處理。超聲波可以將石墨顆粒分散[12]，因此在實(shí)際操作過程中可以用超聲波輔助化學(xué)提純。石墨電極充放電過程中會造成拉曼光譜可見的粉化和無定型化，因此在石墨提純過程中，鮮有電誘導(dǎo)方法提純石墨。

總的來說，石墨提純方法中洗選可純化到96%，但無法提純隱晶質(zhì)石墨；化學(xué)提純法可將純度提升到99.9%；高溫石墨化則更高，可達(dá)到99.99%以上，是目前已知的最高純度。純度要求越高則能量消耗越高，產(chǎn)品價格也越高。因此提升任何一個環(huán)節(jié)的提純效率，降低成本，就可以為石墨提純企業(yè)提高利潤。

4 石墨提純未來發(fā)展趨勢

石墨提純方法研究多年，始終在洗選、化學(xué)提純和高溫提純?nèi)N方法上進(jìn)行改進(jìn)，洗選法目前最為成熟，改進(jìn)空間有限。最多的改進(jìn)在化學(xué)提純和高溫提純兩

個方法上，具體趨勢為：

(1)化學(xué)提純法中的酸種類選擇和配方調(diào)整，如使用一些配位能力較強(qiáng)的酸；

(2)化學(xué)提純法中分散方法改進(jìn)，如超聲波；加熱方式的改變，如微波加熱；

(3)高溫提純法中高溫能量源的選擇，如脈沖激光、等離子體等，等離子體可以達(dá)到10 000K的溫度，能夠滿足石墨提純的需要，而激光常用作材料切割的切割器，也可以產(chǎn)生高溫。

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