Графит, као алотроп угљеника, поседује многа посебна својства због своје јединствене кристалне структуре. Кристали графита припадају хексагоналном систему и имају слојевити распоред. У сваком слоју, атоми угљеника су међусобно повезани у јединственом распореду, са шест атома угљеника који формирају правилне хексагоналне прстенове на истој равни, а сваки атом угљеника је окружен са три суседна атома угљеника. Два 2п електрона окомита на равни атома угљеника, који нису укључени у хибридизацију, могу се слободно кретати унутар кристалне решетке и преклапати да формирају π везе, дајући тако графит добром електричном и топлотном проводљивошћу.
Графит је одличан проводник, који поседује не само добру топлотну проводљивост, већ и изузетну електричну проводљивост. Истовремено, показује високу регуларну крутост и чврстоћу, задржавајући своје робусне и стабилне карактеристике чак и у окружењима са високим{1}}температурама које прелазе 3600 степени. Графит је такође веома омиљен због својих одличних својстава подмазивања, хемијске инертности и отпорности на корозију, што га чини широко применљивим у бројним областима [3].
На основу различитих кристалних облика природног графита, индустријски се може класификовати на кристални графит и афанитни (аморфни) графит. Међу њима, кристални графит са бољом кристалином може се даље поделити на грудвасти графит (масивни кристални графит) и графит у пахуљицама.
Графит у пахуљицама се обично јавља као појединачни кристали или као паралелни кристални израсли у облику танких листова и пахуљица. Његов кристални облик је обично добро-развијен и често се јавља у облику агрегата, са величином кристалног зрна углавном преко 1 μм. Природно ископана руда пахуљастог графита има релативно низак степен, али у поређењу са другим врстама графита, показује супериорну флоатабилност, мазивост и пластичност, што генерално даје љуспичастом графиту већу економску вредност. Графитни графит типично има садржај угљеника од око 60% -65%, а неки достижу и преко 80%, али његова пластичност и мазивост су инфериорни у односу на графит у пахуљицама.
Због његове слабе кристалности, кристална морфологија афанитног графита је видљива само под електронским микроскопом, а голим оком изгледа земљано; стога је познат и као земљани, аморфни или микрокристални графит. Афанитски графит има релативно слаб сјај, а његова мазивост се не може поредити са љускастим графитом. Међутим, његова оцена је генерално виша, а неки чак достижу и преко 90% [4].
2. Примене графита
Природни графит поседује одлична физичко-хемијска својства, што доводи до широког спектра примена. Он игра незаменљиву и значајну улогу у бројним индустријама, укључујући металургију, подмазивање, заптивање, нуклеарну енергију и складиштење енергије.
У металуршкој индустрији, природни графит је основна сировина за ватросталне и ливничке апликације. Користећи своју добру електричну проводљивост и отпорност на високу{1} температуру, графитне електроде служе као кључне компоненте у производњи челика у електролучним пећима и поуздано се прилагођавају условима топљења на високим{2}}температурама. Истовремено, ватростални материјали на бази графита-са својом поузданом отпорношћу на високу{5} температуру и отпорност на ерозију, широко се користе као структуре облоге у челику, -тапљењу обојених метала и разним металуршким пећима на високим{7}}има, што их чини незаменљивим основним материјалима за металуршку индустрију [5].
У области подмазивања, мазива су незаменљива у савременом животу, користе се у аутомобилима, бродовима, авионима, машинама за алате. Под одређеним посебним условима, као што су високе температуре, перформансе уља за подмазивање могу бити значајно смањене, што често доводи до недовољне мазивости. Сила везивања између слојева графита је слаба, што омогућава лако клизање под спољном силом; стога, графит показује одлична својства подмазивања и идеално је чврсто мазиво. Штавише, због своје високе-отпорности на температуру, мазива на бази графита- могу ефикасно да функционишу у екстремним окружењима као што су високе температуре, постижући добре резултате [6].
У области заптивања, графитни заптивни материјали, захваљујући својој изванредној отпорности на корозију, високој-отпорности на температуру и структурној стабилности, налазе широку примену у индустријама као што су хемијско инжењерство, машине и електроника. На основу своје јединствене слојевите структуре и добрих заптивних својстава, природни графит се може ефикасно прилагодити условима заптивања у различитој механичкој опреми, одржавајући стабилне перформансе у сложеним и тешким окружењима и значајно продужавајући век трајања компоненти за заптивање [5]. Поред тога, компресовање порозног експандираног графита високе{4}}површине-е енергије може да произведе флексибилне графитне плоче. Због своје високе-отпорности на температуру, отпорности на корозију, хемијске стабилности и одређене механичке чврстоће, ови лимови могу ефикасно да функционишу под посебним условима, зарађујући флексибилном графиту репутацију „краља заптивања“ [6].
У сектору нуклеарне енергије, природни графит високе{0}}чистоће је основна сировина за производњу модератора неутрона у нуклеарним реакторима. Његове одличне перформансе модерирања неутрона и структурна стабилност на високој{2}}температури чине га кључним материјалом за нуклеарне електране и нуклеарна истраживачка постројења. У одређеним типовима нуклеарних реактора, природни графит такође може послужити као структурни материјал, користећи своју добру механичку чврстоћу, отпорност на зрачење и високу-отпорност на температуру за одржавање дуготрајног-одржавања стабилног рада у екстремним условима високе температуре и интензивног зрачења, без лаког деформисања или отказивања, чиме се обезбеђује [5] безбедан рад нуклеарне опреме].
У области складиштења енергије, са брзим развојем нове енергетске индустрије, потражња на тржишту за природним графитом наставља да се шири. Брзи раст индустрије литијумских батерија значајно је подстакао потражњу тржишта за анодним материјалима, а природни графит, са својим јединственим електрохемијским својствима, је пожељна сировина за производњу анода за литијумске батерије. Тренутно, бројна поља као што су нова енергетска возила, базне станице за мобилне комуникације и микромреже ослањају се на литијумске батерије као свој основни извор напајања, што осигурава да ће материјали аноде графитних литијумских батерија и даље имати јаку индустријску конкурентност на будућем новом енергетском тржишту [7].
3. Методе пречишћавања графита
Тренутно се методе пречишћавања природног графита могу категорисати у физичке и хемијске методе. Међу њима, методе физичког пречишћавања углавном укључују методе флотације и високе{1}}температуре; методе хемијског пречишћавања укључују метод алкалне-киселине, метод флуороводоничне киселине и метод печења хлорисањем.
3.1 Метода флотације
Метода флотације је процес прераде минерала који одваја чврсте минерале од водене суспензије на основу разлика у њиховим површинским физичким и хемијским својствима. Површина графита није лако наквашена водом, што му даје добру плутајућу способност и омогућава лако одвајање од нечистоћа, што га чини погодним за пречишћавање флотацијом [8].
Укупни ток процеса методе флотације углавном укључује три основна корака: млевење, одвајање флотације и рециркулацију средњег смеша. Прво, сирова природна руда графита се дроби и меље. Механичким млевењем постиже се прелиминарно ослобађање графитних мономера од нечистоћа ланца, чиме се поставља темељ за наредне операције сепарације. Након млевења, графитна пулпа се меша и натопи специфичним хемијским реагенсима. Модификацијом реагенса, разлике површинског напона графита су оптимизоване, чиме се проширује јаз у флоатабилности између графита и минерала нечистоћа и стварају се услови за ефикасно уклањање нечистоћа. Након тога, комбиновани процес флотације који укључује више фаза грубе обраде, чишћења и чишћења се користи за прогресивно уклањање компоненти нечистоћа из пулпе, ефикасно повећавајући чистоћу концентрата графита. Током процеса флотације, додају се одговарајући флотацијски реагенси како би се додатно побољшала флоатабилност графита и побољшала ефикасност одвајања. Индустријски колектори који се најчешће користе укључују дизел уље, керозин, борово уље, итд. [9].
Метода флотације, као први корак у пречишћавању графита, првенствено је применљива на претходну обраду ниско{0}}угљеничног, крупног-графита у пахуљицама. Овај процес има развијен систем технологије, једноставну пратећу опрему, ниску укупну потрошњу енергије и контролне трошкове производње, нудећи значајне економске предности. То је високо{4}}ефикасна технологија грубог пречишћавања графита у индустријским применама. Међутим, метода флотације има значајна ограничења и није погодна за ефикасно пречишћавање микрокристалног графита. У поређењу са кристалним графитом, микрокристални графит генерално има нижи укупни садржај нечистоћа, али његово јединствено стање појаве нечистоће значајно ограничава ефикасност уклањања нечистоћа флотацијом. Микрокристалне честице графита су изузетно фине и блиско повезане са минералима ланца, често уграђене у минерале глине. Током млевења, тешко је постићи довољно ослобађање графитних мономера од нечистоћа, што доводи до значајног смањења ефикасности флотацијске сепарације. На крају крајева, тешко је добити концентрате графита високе{10}}чистоће, јер не испуњавају захтеве врхунских{11}}индустријских примена. Укратко, процес флотације графита може послужити само као примарни метод пречишћавања, који се углавном користи за уклањање већине лако одвојивих нечистоћа из сирове руде графита, ефикасно смањујући потрошњу реагенса и губитак енергије у наредним процесима дубоког пречишћавања и обезбеђујући високо{13}}квалитетне сировинске базе за даље рафинирање [10-11].
3.2 Високотемпературни-метод
Метода високе{0}}температуре користи разлику у тачкама кључања између графита (висока тачка топљења) и нечистоћа (ниже тачке кључања). Под заштитом инертне атмосфере, температура се контролише у одговарајућем опсегу, што доводи до тога да нечистоће са нижим -тачкама кључања-, као што су метални оксиди и силикати, прво испаре и побегну, док угљеник са високом-тачком{5}} остаје у чврстом облику, чиме се постиже [дубоко одвајање12 и пречишћавање].
Сирови материјали који се користе у високо{0}}температурној методи су обично концентрати графита добијени након пречишћавања флотацијом или високо{1}}угљенични графит добијен након хемијског пречишћавања, са садржајем угљеника који се углавном креће од 95% до 99% [13]. Овом методом се може постићи чистоћа графита од око 99,995%. Иако може ефикасно да уклони нечистоће уграђене у графитну решетку без уништавања структуре графита, ефикасно побољшавајући квалитет производа, често је примењив само на-секторе врхунске технологије као што су одбрана, нуклеарна индустрија и ваздухопловство. То је зато што су недостаци методе значајни: захтева захтевну опрему, високу потрошњу енергије и укључује значајне инвестиције и оперативне трошкове, што га чини неповољним за-производњу великих размера и првенствено за опслуживање врхунских-производа од графита [12].
3.3 Алкална{1}}киселинска метода
Алкална{0}}киселинска метода, која се састоји од два процеса-алкалне фузије и киселог лужења- у низу према индустријском току, је релативно ефикасан метод за пречишћавање природног графита. Процес алкалне фузије: Користећи отпорност графита на киселине и алкалије, графит и алкалије се равномерно мешају у одређеној пропорцији и затим калцинишу на високој температури. У растопљеном стању, нечистоће као што су алуминосиликати, кварц и силикати у графиту реагују хемијски са алкалијом, формирајући силикате -растворљиве у киселини или у води-, који се затим уклањају испирањем водом. Процес киселог лужења: Алкално-стопљени графит и хидроксиди се подвргавају врућем лужењу раствором хлороводоничне киселине одређене концентрације, претварајући оксиде метала у растворљиве соли. Коначно, кроз процесе као што су прање и одводњавање, добија се пречишћени графит.
Тренутно, алкална{0}}киселина метода је метода пречишћавања коју обично користе произвођачи графита високе{1}} чистоће у Кини. Његове највеће предности укључују ниска почетна улагања, једноставну реакциону опрему, снажну свестраност, добру прилагодљивост процеса и релативно високу чистоћу и квалитет добијених производа. Недостаци су неопходност калцинације на високим температурама, значајно трошење енергије и опреме, релативно ниска ефикасност пречишћавања, значајан губитак вредних минерала и потенцијал за загађење животне средине [14].
3.4 Метода флуороводоничне киселине
Флуороводонична киселина (ХФ) је јака киселина која може да реагује са већином нечистоћа у графиту. Међутим, графит обично има добру отпорност на киселине на собној температури и хемијски је стабилан, посебно по томе што не реагује са флуороводоничном киселином. Натапањем графита у флуороводоничну киселину, омогућавајући реакцију током времена, праћено испирањем и филтрацијом, остаје графит релативно високе -чистоће.
Пречишћавање методом флуороводоничне киселине може да уклони већину нечистоћа из графита, чиме се добија графит високе{0}}чистоће по ниској цени. То је једна од једноставнијих и ефикаснијих метода за пречишћавање графита. Међутим, флуороводонична киселина је веома токсична и представља значајне безбедносне опасности током процеса производње, што спречава њено широко усвајање и примену у индустријској производњи [15].
3.5 Метода печења хлорисањем
Метода печења хлорисањем укључује додавање одређене количине редуктора (гасовити хлор, угљен-тетрахлорид) у графит и печење на високим температурама у специфичној атмосфери. Нечистоће оксида реагују са гасовитим хлором у реакцији хлорисања, претварајући их у хлориде. Нечистоће као што су силикати, алуминосиликати и кварц у графиту се разлажу у оксиде као што су силицијум диоксид, алуминијум оксид, оксид гвожђа и калцијум оксид под високим-гревањем. Пошто су тачке кључања ових хлорида релативно ниске, они испаравају и излазе током процеса печења на високој{4}}температури, чиме се постиже уклањање нечистоћа и пречишћавање.
Метода печења хлорисањем уклања нечистоће додавањем редукујућих гасова као што је хлор да би се нечистоће претвориле у форме хлорида. Овај метод нуди високу ефикасност пречишћавања и добре стопе опоравка. Међутим, гас хлора је опасан гас штетан по животну средину, а процес карактерише нестабилност, што ограничава његов развој [16].