Grafītam kā oglekļa alotropam piemīt daudzas īpašas īpašības, pateicoties tā unikālajai kristāla struktūrai. Grafīta kristāli pieder pie sešstūra sistēmas un tiem ir slāņains izvietojums. Katrā slānī oglekļa atomi ir savienoti viens ar otru unikālā izkārtojumā, seši oglekļa atomi veido regulārus sešstūra gredzenus vienā plaknē, un katru oglekļa atomu ieskauj trīs blakus esoši oglekļa atomi. Divi 2p elektroni, kas ir perpendikulāri oglekļa atomu plaknēm, kas nav iesaistīti hibridizācijā, var brīvi pārvietoties kristāla režģī un pārklāties, veidojot π saites, tādējādi piešķirot grafītam labu elektrisko un siltuma vadītspēju.
Grafīts ir lielisks vadītājs, kam piemīt ne tikai laba siltumvadītspēja, bet arī izcila elektrovadītspēja. Tajā pašā laikā tam ir augsta regulāra stingrība un izturība, saglabājot izturīgās un stabilās īpašības pat augstas-temperatūras vidēs, kas pārsniedz 3600 grādus. Grafīts ir arī ļoti iecienīts tā izcilo eļļošanas īpašību, ķīmiskās inerces un izturības pret koroziju dēļ, padarot to plaši pielietojamu daudzās jomās [3].
Pamatojoties uz dažādām dabiskā grafīta kristāliskām formām, to rūpnieciski var iedalīt kristāliskajā grafītā un afantiskā (amorfā) grafītā. Starp tiem kristālisko grafītu ar labāku kristāliskumu var sīkāk iedalīt vienreizējā grafītā (masīvā kristāliskā grafīta) un pārslu grafītā.
Pārslu grafīts parasti rodas kā atsevišķi kristāli vai kā paralēli kristālu savstarpēji augi plānu lokšņu un pārslu veidā. Tā kristāliskā forma parasti ir labi-attīstīta un bieži sastopama kā agregāti, kristāla graudu izmēri parasti pārsniedz 1 μm. Dabiski iegūtai pārslu grafīta rūdai ir salīdzinoši zema kvalitāte, taču, salīdzinot ar citiem grafīta veidiem, tai ir izcila peldspēja, eļļošana un plastiskums, kas parasti piešķir pārslu grafītam augstāku ekonomisko vērtību. Grafīta gabaliņos oglekļa saturs parasti ir aptuveni 60–65%, dažos gadījumos tas sasniedz vairāk nekā 80%, taču tā plastiskums un eļļošana ir zemāka par pārslu grafīta saturu.
Sliktā kristāliskuma dēļ afantiskā grafīta kristāla morfoloģija ir redzama tikai elektronu mikroskopā, un ar neapbruņotu aci tas šķiet zemisks; tāpēc to sauc arī par zemes, amorfu vai mikrokristālisko grafītu. Afanitiskajam grafītam ir salīdzinoši zems spīdums, un tā eļļošanas spēja nav salīdzināma ar pārslu grafīta eļļošanu. Tomēr tā pakāpe parasti ir augstāka, un daži pat sasniedz 90% [4].
2. Grafīta pielietojumi
Dabīgajam grafītam piemīt izcilas fizikāli ķīmiskās īpašības, kas nodrošina plašu pielietojumu klāstu. Tam ir neaizvietojama un nozīmīga loma daudzās nozarēs, tostarp metalurģijā, eļļošanā, blīvēšanā, kodolenerģijā un enerģijas uzglabāšanā.
Metalurģijas nozarē dabiskais grafīts ir galvenā izejviela ugunsizturīgo materiālu un lietuvju lietojumos. Pateicoties labajai elektrovadītspējai un augstas temperatūras izturībai, grafīta elektrodi kalpo kā galvenie komponenti tērauda ražošanā elektriskā loka krāsnī, kas droši pielāgojas augstas temperatūras kausēšanas apstākļiem. Vienlaikus ugunsizturīgos materiālus uz grafīta- bāzes ar uzticamu augstas-temperatūras izturību un izturību pret eroziju plaši izmanto kā oderējuma konstrukcijas tērauda, krāsaino metālu kausēšanā un dažādās augstas-temperatūras metalurģijas krāsnīs, padarot tos par neaizstājamiem metalurģijas nozares pamatmateriāliem [5].
Eļļošanas jomā smērvielas ir neaizstājamas mūsdienu dzīvē, ko izmanto automašīnās, kuģos, lidmašīnās un darbgaldos. Noteiktos īpašos apstākļos, piemēram, augstā temperatūrā, smēreļļu veiktspēja var ievērojami pasliktināties, kā rezultātā bieži vien ir nepietiekama eļļošana. Savienojuma spēks starp grafīta slāņiem ir vājš, ļaujot viegli slīdēt ārējā spēka ietekmē; tādēļ grafītam ir lieliskas eļļošanas īpašības un tas ir ideāla cieta smērviela. Turklāt, pateicoties augstajai -temperatūras izturībai, smērvielas uz grafīta- bāzes var efektīvi darboties ekstremālos apstākļos, piemēram, augstā temperatūrā, tādējādi sasniedzot labus rezultātus [6].
Blīvēšanas jomā grafīta blīvējuma materiāli, pateicoties to izcilajai izturībai pret koroziju, augstajai -temperatūras izturībai un struktūras stabilitātei, tiek plaši pielietoti tādās nozarēs kā ķīmijas inženierija, mašīnbūves un elektronika. Pamatojoties uz savu unikālo slāņu struktūru un labajām blīvēšanas īpašībām, dabiskais grafīts var efektīvi pielāgoties blīvēšanas apstākļiem dažādās mehāniskās iekārtās, saglabājot stabilu veiktspēju sarežģītā un skarbā vidē un būtiski pagarinot blīvējuma komponentu kalpošanas laiku [5]. Turklāt, saspiežot porainu, ar augstu -virsmas-enerģijas palielinātu grafītu, var iegūt elastīgas grafīta loksnes. Pateicoties augstajai -temperatūras izturībai, izturībai pret koroziju, ķīmiskajai stabilitātei un noteiktai mehāniskai izturībai, šīs loksnes var efektīvi darboties īpašos apstākļos, izpelnoties elastīgajam grafītam "blīvējuma karaļa" reputāciju [6].
Kodolenerģijas nozarē augstas{0}}tīrības pakāpes dabiskais grafīts ir galvenā izejviela neitronu moderatoru ražošanai kodolreaktoros. Tā lieliskā neitronu regulēšanas veiktspēja un augstas -temperatūras struktūras stabilitāte padara to par galveno materiālu kodolspēkstacijām un kodolpētniecības iekārtām. Atsevišķos kodolreaktoru tipos dabiskais grafīts var kalpot arī kā konstrukcijas materiāls, izmantojot tā labo mehānisko izturību, radiācijas izturību un augstas -temperatūras izturību, lai saglabātu ilgstošu, stabilu darbību ekstremālos augstas temperatūras un intensīva starojuma apstākļos, viegli nedeformējoties vai sabojājot, tādējādi nodrošinot kodoliekārtu drošu darbību [5].
Enerģijas uzglabāšanas jomā, strauji attīstoties jaunajai enerģētikas nozarei, tirgus pieprasījums pēc dabiskā grafīta turpina paplašināties. Litija akumulatoru ražošanas nozares straujā izaugsme ir būtiski veicinājusi tirgus pieprasījumu pēc anoda materiāliem, un dabiskais grafīts ar tā unikālajām elektroķīmiskajām īpašībām ir vēlamais izejmateriāls litija akumulatoru anodu ražošanai. Pašlaik daudzas jomas, piemēram, jauni enerģijas transportlīdzekļi, mobilo sakaru bāzes stacijas un mikrotīkli, kā galveno enerģijas avotu izmanto litija baterijas, kas nodrošina, ka grafīta litija akumulatoru anoda materiāli arī turpmāk būs spēcīgas nozares konkurētspējas jaunajā enerģijas tirgū [7].
3. Grafīta attīrīšanas metodes
Pašlaik dabiskās grafīta attīrīšanas metodes var iedalīt fizikālajās un ķīmiskajās metodēs. Tostarp fiziskās attīrīšanas metodes galvenokārt ietver flotācijas un augstas temperatūras metodes; ķīmiskās attīrīšanas metodes ietver sārmu-skābes metodi, fluorūdeņražskābes metodi un hlorēšanas grauzdēšanas metodi.
3.1. Flotācijas metode
Flotācijas metode ir minerālu apstrādes process, kas atdala cietos minerālus no ūdens suspensijas, pamatojoties uz to virsmas fizikālo un ķīmisko īpašību atšķirībām. Grafīta virsmu nav viegli samitrina ūdens, kas nodrošina tai labu peldamību un ļauj viegli atdalīties no piemaisījumiem, padarot to piemērotu attīrīšanai, izmantojot flotāciju [8].
Flotācijas metodes kopējā procesa plūsma galvenokārt ietver trīs galvenos posmus: slīpēšanu, flotācijas atdalīšanu un iedegu recirkulāciju. Pirmkārt, neapstrādāta dabiskā grafīta rūda tiek sasmalcināta un samalta. Ar mehānisko slīpēšanu tiek panākta iepriekšēja grafīta monomēru atbrīvošanās no piemaisījumiem, liekot pamatu turpmākajām atdalīšanas darbībām. Pēc slīpēšanas grafīta mīkstumu sajauc un iemērc ar specifiskiem ķīmiskiem reaģentiem. Ar reaģenta modifikāciju tiek optimizētas grafīta virsmas spraiguma atšķirības, paplašinot plaisu starp grafītu un piemaisījumu minerāliem un radot apstākļus efektīvai piemaisījumu noņemšanai. Pēc tam tiek izmantots kombinēts flotācijas process, kas ietver vairākus rupjas apstrādes, attīrīšanas un tīrīšanas posmus, lai pakāpeniski noņemtu piemaisījumu sastāvdaļas no celulozes, efektīvi palielinot grafīta koncentrāta tīrību. Flotācijas procesa laikā tiek pievienoti atbilstoši flotācijas reaģenti, lai vēl vairāk uzlabotu grafīta peldspēju un uzlabotu atdalīšanas efektivitāti. Parasti izmanto rūpnieciskos kolektorus, piemēram, dīzeļdegvielu, petroleju, priežu eļļu utt. [9].
Flotācijas metode kā pirmais solis grafīta attīrīšanā galvenokārt ir piemērojama zema{0}}oglekļa liela-pārslu grafīta pirmapstrādei. Šim procesam ir nobriedusi tehnoloģiju sistēma, vienkāršas atbalsta iekārtas, zems kopējais enerģijas patēriņš un kontrolējamas ražošanas izmaksas, kas piedāvā ievērojamas ekonomiskās priekšrocības. Tā ir ļoti rentabla-grafīta rupjas attīrīšanas tehnoloģija rūpnieciskos lietojumos. Tomēr flotācijas metodei ir ievērojami ierobežojumi, un tā nav piemērota efektīvai mikrokristāliskā grafīta attīrīšanai. Salīdzinot ar kristālisko grafītu, mikrokristāliskajam grafītam kopumā ir zemāks kopējais piemaisījumu saturs, taču tā unikālais piemaisījumu rašanās stāvoklis būtiski ierobežo flotācijas piemaisījumu noņemšanas efektivitāti. Mikrokristāliskā grafīta daļiņas ir ļoti smalkas un cieši saistītas ar sēņu minerāliem, kas bieži ir iestrādāti māla minerālos. Slīpēšanas laikā ir grūti panākt pietiekamu grafīta monomēru atbrīvošanu no piemaisījumiem, kā rezultātā ievērojami samazinās flotācijas atdalīšanas efektivitāte. Galu galā ir grūti iegūt augstas{10}}tīrības grafīta koncentrātus, kas neatbilst augstākās klases rūpniecisko lietojumu prasībām. Rezumējot, grafīta flotācijas process var kalpot tikai kā primārā attīrīšanas metode, ko galvenokārt izmanto, lai noņemtu lielāko daļu viegli atdalāmo piemaisījumu no neapstrādātas grafīta rūdas, efektīvi samazinot reaģenta patēriņu un enerģijas zudumus turpmākajos dziļās attīrīšanas procesos un nodrošinot augstas kvalitātes izejmateriālu bāzi turpmākai attīrīšanai [10-11].
3.2. Augstas-temperatūras metode
Augstas{0}}temperatūras metode izmanto viršanas punktu atšķirību starp grafītu (augstu kušanas temperatūru) un piemaisījumu (zemāku viršanas temperatūru). Aizsargājot inertu atmosfēru, temperatūra tiek kontrolēta piemērotā diapazonā, izraisot zemākas viršanas temperatūras piemaisījumus, piemēram, metālu oksīdus un silikātus, lai iztvaikotu un vispirms izkļūtu, savukārt ogleklis ar augstu -kušanas temperatūru- paliek cietā formā, tādējādi panākot dziļu atdalīšanu un attīrīšanu [12].
Augstas -temperatūras metodē izmantotās izejvielas parasti ir grafīta koncentrāti, kas iegūti pēc flotācijas attīrīšanas, vai augstas{1}oglekļa grafīts, kas iegūts pēc ķīmiskās attīrīšanas, un oglekļa saturs parasti ir no 95% līdz 99% [13]. Ar šo metodi var sasniegt aptuveni 99,995% grafīta tīrību. Lai gan tas var efektīvi noņemt grafīta režģī iegultos piemaisījumus, nesabojājot grafīta struktūru, efektīvi uzlabojot produktu kvalitāti, tas bieži vien ir piemērojams tikai augstākās klases tehnoloģiju nozarēs, piemēram, aizsardzībā, kodolrūpniecībā un kosmosā. Tas ir tāpēc, ka metodes trūkumi ir būtiski: tai ir nepieciešams prasīgs aprīkojums, liels enerģijas patēriņš un ievērojamas investīcijas un darbības izmaksas, tādēļ tā nav izdevīga liela mēroga ražošanai un galvenokārt augstas klases grafīta izstrādājumu apkalpošanai [12].
3.3. Sārmu-skābes metode
Sārmu-skābes metode, kas sastāv no diviem secīgiem procesiem-sārmu saplūšana un skābes izskalošana-atbilstoši rūpnieciskajai plūsmai, ir salīdzinoši efektīva dabiskā grafīta attīrīšanas metode. Sārmu saplūšanas process: izmantojot grafīta izturību pret skābēm un sārmiem, grafīts un sārms tiek vienādi sajaukti noteiktā proporcijā un pēc tam kalcinēti augstā temperatūrā. Kausētā stāvoklī piemaisījumi, piemēram, alumīnija silikāti, kvarcs un silikāti grafītā, ķīmiski reaģē ar sārmu, veidojot skābē -šķīstošus vai ūdenī- šķīstošos silikātus, kurus pēc tam noņem, mazgājot ar ūdeni. Skābes izskalošanās process: sārmu{8}}kausētais grafīts un hidroksīdi tiek pakļauti karstai izskalošanai ar noteiktas koncentrācijas sālsskābes šķīdumu, pārvēršot metālu oksīdus šķīstošos sāļos. Visbeidzot, izmantojot tādus procesus kā mazgāšana un atūdeņošana, tiek iegūts attīrīts grafīts.
Pašlaik sārmu{0}skābes metode ir attīrīšanas metode, ko parasti izmanto augstas-tīrības pakāpes grafīta ražotāji Ķīnā. Tās lielākās priekšrocības ir nelielas sākotnējās investīcijas, vienkāršas reakcijas iekārtas, liela daudzpusība, laba procesa pielāgošanās spēja, kā arī salīdzinoši augsta iegūto produktu tīrība un pakāpe. Trūkumi ir nepieciešamība veikt kalcinēšanu augstā temperatūrā, ievērojams enerģijas un iekārtu nolietojums, salīdzinoši zema attīrīšanas efektivitāte, būtiski vērtīgo minerālu zudumi un vides piesārņojuma iespējamība [14].
3.4. Fluorūdeņražskābes metode
Fluorūdeņražskābe (HF) ir spēcīga skābe, kas var reaģēt ar lielāko daļu grafīta piemaisījumu. Tomēr grafītam parasti ir laba skābes izturība istabas temperatūrā, un tas ir ķīmiski stabils, jo īpaši tāpēc, ka tas nereaģē ar fluorūdeņražskābi. Mērcējot grafītu fluorūdeņražskābē, ļaujot reakcijai laika gaitā, kam seko mazgāšana un filtrēšana, saglabājas salīdzinoši augstas -tīrības pakāpes grafīts.
Attīrīšana, izmantojot fluorūdeņražskābes metodi, var noņemt no grafīta lielāko daļu piemaisījumu, iegūstot augstas{0}}tīrības pakāpes grafītu par zemām izmaksām. Tā ir viena no vienkāršākajām un efektīvākajām grafīta attīrīšanas metodēm. Tomēr fluorūdeņražskābe ir ļoti toksiska, radot ievērojamus drošības apdraudējumus ražošanas procesā, kas neļauj to plaši izmantot un izmantot rūpnieciskajā ražošanā [15].
3.5. Hlorēšanas grauzdēšanas metode
Hlorēšanas apgrauzdēšanas metode ietver noteikta daudzuma reducētāja (hlora gāzes, tetrahlorīda) pievienošanu grafītam un grauzdēšanu augstā temperatūrā noteiktā atmosfērā. Oksīdu piemaisījumi hlorēšanas reakcijā reaģē ar hlora gāzi, pārvēršot tos hlorīdos. Piemaisījumi, piemēram, silikāti, alumīnijasilikāti un kvarcs grafītā, karsējot augstā temperatūrā, sadalās oksīdos, piemēram, silīcija dioksīdā, alumīnija oksīdā, dzelzs oksīdā un kalcija oksīdā. Tā kā šo hlorīdu viršanas temperatūra ir relatīvi zema, tie iztvaiko un izplūst augstās -temperatūras grauzdēšanas procesā, tādējādi panākot piemaisījumu noņemšanu un attīrīšanu.
Hlorēšanas grauzdēšanas metode noņem piemaisījumus, pievienojot reducējošās gāzes, piemēram, hloru, lai pārvērstu piemaisījumus hlorīda formās. Šī metode nodrošina augstu attīrīšanas efektivitāti un labu atgūšanas ātrumu. Taču hlora gāze ir videi kaitīga gāze, un procesam ir raksturīga nestabilitāte, kas ierobežo tā attīstību [16].