石墨提纯方法现状及发展趋势

2013-04-12魏丽丹张文斌

黑龙江生态工程职业学院学报 2013年6期

魏丽丹张文斌

(黑龙江工业学院环境工程系，黑龙江鸡西 158100)

1 石墨的结构

石墨是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结着另外三个碳原子(排列方式呈蜂巢式的多个六边形)以共价键结合，构成共价分子。由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于导电体。石墨具有典型的层状结构，其构造组成单位为碳。碳原子排列成六方网状层，面网结点上的碳原子相对于上下邻层网格的中心，下图表示石墨晶体层状结构中原子的中心位置和晶体结构。

2 石墨制品的用途

石墨是一种稳定的、可以导电的、具有层状结构的非金属材料，用途非常广泛。首先可用于各种电材料如石墨乳、石墨电极、石墨零件，不仅仅是整块石墨材料的导电性能优良，甚至单层石墨层(石墨烯)也具有相当优良的导电能力。石墨烯目前常用作锂离子电池阴极材料、功能材料等[1],某些功能材料甚至于用在医疗领域[2]。石墨良好的力学性能可生产碳纤维材料，可膨胀性制备可膨胀石墨[3]，同时也用于做密封材料、碳分子筛和碳载体。由于熔沸点高，石墨在工业上用于生产耐火材料，包括耐火砖、坩埚、连续铸造粉、铸模芯、铸模、洗涤剂和耐高温材料。石墨与金刚石属于同素异形体，可通过晶型转化来生产金刚石[4]。

3 石墨提纯方法及应用现状

石墨是一种用途广泛的非金属矿物，近年来用途日趋广泛，如石墨涂料、超细石墨拉丝、石墨烯，等等，对石墨纯度的要求也越来越高。石墨的提纯方法除经典的洗选之外还有化学提纯和高温石墨化法，其中洗选法工业化程度最高，处理量大，是目前主要采取的石墨预处理方法，经过三浮九选纯度可达96%[5]。

化学提纯法中有氢氟酸法、碱酸法、氯化氧化法和高温碱熔法。氢氟酸法效果好，可将洗选后的石墨纯化至99.95%[6]，但由于其巨大的污染，现已不能大规模使用。工业中常用的化学提纯法是碱酸法，使用不同的配方可以将石墨纯化至99.9%[7-8]，但与氢氟酸法相比，由于要先用强碱熔融处理[9]，清水洗后再用混合酸浸泡，功耗、能耗、原材料的浪费均比较严重，设备腐蚀也很重，且由于其时间长、废水量大、处理较难而饱受诟病。氯化氧化法在1 000℃以上进行反应[10]，条件苛刻且处理不够稳定，污染很重，应用较少。

高温石墨化法需要加热到3 000℃的高温使杂质气化除去。黄桂荣等人的研究表明石墨在这样的温度下质量亏损很少，不过该方法属高耗能，并且在如此高温的情况下，设备的要求很高，投资很大，因此需尽可能避免杂质量过大导致高温石墨化的压力过大。为节约能源和资金，目前成功应用的高纯石墨生产是由洗选→化学提纯→高温石墨化三个部分组成。如果需要在高温石墨化法的耗能压力降低，则必须提高石墨化学提纯的效率。王光民提出使用氢氟酸、硫酸、盐酸的配比来解决石墨提纯后的纯度[11]，然而这一方法需要使用纯度98%的石墨，这需要经过碱酸法的处理。超声波可以将石墨颗粒分散[12]，因此在实际操作过程中可以用超声波辅助化学提纯。石墨电极充放电过程中会造成拉曼光谱可见的粉化和无定型化，因此在石墨提纯过程中，鲜有电诱导方法提纯石墨。

总的来说，石墨提纯方法中洗选可纯化到96%，但无法提纯隐晶质石墨；化学提纯法可将纯度提升到99.9%；高温石墨化则更高，可达到99.99%以上，是目前已知的最高纯度。纯度要求越高则能量消耗越高，产品价格也越高。因此提升任何一个环节的提纯效率，降低成本，就可以为石墨提纯企业提高利润。