La grafite è una delle risorse strategiche indispensabili di un paese ed è stata elencata da vari paesi come un'importante materia prima non metallica e un minerale fondamentale. Grazie alla sua buona conduttività elettrica, conduttività termica, resistenza alla corrosione, resistenza alle radiazioni e altre proprietà, è ampiamente utilizzato nei settori chimico, aerospaziale, dell'energia atomica, delle nuove energie e in altri campi ad alta-tecnologia.
Applicazioni della grafite nell'industria tradizionale
Nel campo dei materiali refrattari carboniosi tradizionali di alta-qualità, la grafite può essere utilizzata per realizzare contenitori resistenti alle alte-temperature-, come barchette in grafite e crogioli di grafite, grazie alla sua resistenza alle alte-temperature. Può anche essere utilizzato come additivo o riempitivo in combinazione con altri materiali. Nel processo di fusione dell'acciaio, è necessario aggiungere un ricarburante per compensare la perdita di carbonio durante la fusione e la grafite può essere utilizzata come ricarburante.
Nell'industria manifatturiera dei diamanti, i diamanti si dividono in diamanti naturali e diamanti sintetici. I diamanti naturali hanno proprietà eccellenti, ma le loro risorse sono limitate e non facili da ottenere. I diamanti sintetici realizzati con grafite come fonte di carbonio hanno proprietà praticamente identiche a quelle dei diamanti naturali, con bassi costi di sintesi e un elevato rapporto costo-efficacia. Pertanto, i diamanti sintetici sono molto popolari sul mercato. Maggiore è la purezza della grafite, più favorevole è la sintesi del diamante.
Nel campo dei materiali nucleari, l’energia nucleare è una fonte energetica pulita ed efficiente. Lo sviluppo dell’energia nucleare può risolvere il problema del futuro esaurimento energetico. Poiché i reattori nucleari hanno un forte effetto corrosivo sui materiali e funzionano a temperature elevate, non tutti i materiali sono adatti. I materiali in grafite di carbonio-hanno un basso coefficiente di espansione termica, una buona resistenza allo shock termico e una bassa attivazione dei neutroni, che li rendono adatti come materiali per reattori nucleari. Come materiali utilizzati nell'industria nucleare, soprattutto nei reattori raffreddati a gas ad alta temperatura--, il contenuto di ceneri e boro deve essere rispettivamente inferiore a 50 ppm e 0,1 ppm.
Nel campo della lubrificazione, l'olio lubrificante è una sostanza indispensabile nella vita moderna. Automobili, navi, aerei, macchine utensili e altri settori non possono fare a meno dell'olio lubrificante. In alcuni ambienti speciali, come condizioni di temperatura elevata-, le prestazioni dell'olio lubrificante sono notevolmente ridotte ed è probabile che si verifichino problemi come un potere lubrificante insufficiente durante l'uso. La forza legante tra gli strati di grafite è piccola e, sotto la forza esterna, si verifica facilmente uno scorrimento. Pertanto, la grafite ha eccellenti prestazioni lubrificanti ed è un lubrificante solido ideale.
Nel campo delle sigillature, fogli di grafite flessibili possono essere ottenuti pressando e stampando la grafite espansa, che è sciolta, porosa e presenta un'elevata energia superficiale. Poiché la grafite flessibile è resistente alle alte temperature e alla corrosione, ha proprietà chimiche stabili e possiede una certa resistenza, può svolgere un ruolo in alcuni ambienti speciali. Pertanto, la grafite flessibile gode della reputazione di "Re della sigillatura".
Metodi di purificazione della grafite
La purezza della grafite ha un impatto decisivo sia sui campi di applicazione che sul valore economico della grafite. Attualmente, sia che venga utilizzata per produrre diamanti sintetici, materiali anodici per batterie agli ioni di litio, materiali flessibili in grafite o materiali in grafite di fascia alta utilizzati nell'industria aerospaziale e nucleare, la grafite deve avere un contenuto fisso di carbonio compreso tra il 99% e il 99,99%. Maggiore è la purezza della grafite, più stabile sarà la sua conduttività elettrica, lubrificazione e altre proprietà, e maggiore sarà il valore applicativo del materiale. Pertanto, la purezza della grafite è diventata uno degli indicatori importanti per misurare la qualità della grafite e la tecnologia di purificazione della grafite è diventata una tecnologia chiave nell'industria della grafite.
Metodo di flottazione
La flottazione è il metodo di purificazione più basilare. Utilizza la differenza di galleggiabilità tra minerali utili e minerali della ganga per la separazione. Attraverso la flottazione, il contenuto fisso di carbonio della grafite può essere aumentato fino a circa l'80% –95%. La purificazione per flottazione della grafite è il metodo-costo più basso.
Anche la flottazione ha i suoi limiti. Durante il processo continuo di macinazione e flottazione, i minerali utili e i minerali della ganga vengono gradualmente liberati come singole particelle e la maggior parte viene rimossa mediante flottazione. Tuttavia, durante la macinazione continua, l'effetto della macinazione sulla liberazione dei minerali della ganga viene continuamente indebolito e l'aumento del contenuto di carbonio fisso della grafite è limitato. Pertanto, la flottazione può essere utilizzata solo per la purificazione primaria della grafite, mentre la grafite ad elevata-purezza richiede metodi di purificazione chimica.
Metodo ad alta-temperatura
Il metodo ad alta-temperatura sfrutta principalmente il fatto che la grafite ha un punto di ebollizione più elevato rispetto ad altre impurità presenti nel minerale di grafite. Attraverso la calcinazione a temperatura ultra-alta-, le impurità vengono vaporizzate e rimosse, ottenendo così un prodotto di purificazione della grafite di purezza ultra-elevata-. Questo perché il punto di ebollizione della grafite è di 4500 gradi, sostanzialmente superiore al punto di ebollizione di tutte le impurità. Nella produzione vera e propria, viene generalmente utilizzato un crogiolo di grafite per contenere la polvere di grafite, che viene poi posta in un forno ad alta-temperatura e impostata a una certa temperatura. La temperatura viene aumentata al di sopra della temperatura di vaporizzazione delle impurità (con gas protettivo introdotto per prevenire l'ossidazione del materiale), quindi il materiale viene mantenuto ad alta temperatura in modo che le impurità a basso punto di ebollizione si volatilizzino dal crogiolo, ottenendo così la purificazione della grafite. Il metodo ad alta-temperatura può purificare le materie prime dal 95%–99% al 99,99%.
Il metodo ad alta-temperatura può far sì che la purezza della grafite raggiunga circa il 99,995% e può proteggere la struttura della grafite e migliorare la qualità dei prodotti in grafite. I prodotti possono essere utilizzati nella difesa nazionale, nell'industria nucleare, nell'aerospaziale e in altri settori high-tecnologici.
Metodo dell'acido fluoridrico
Il metodo dell'acido fluoridrico presenta i vantaggi di un basso consumo energetico, un flusso di processo semplice, un'elevata efficienza di purificazione, un elevato contenuto di carbonio fisso nella grafite ottenuta e un impatto minimo sulle prestazioni dei prodotti di grafite. Tuttavia, ha requisiti severi in termini di attrezzature e condizioni di produzione e le acque reflue sono difficili da trattare, con conseguenti costi elevati di protezione ambientale. Controllando la quantità e la modalità d'azione dell'acido fluoridrico, il metodo di purificazione dell'acido fluoridrico è stato ottimizzato. Durante il processo di purificazione, l'acido fluoridrico può reagire chimicamente con quasi tutte le impurità e convertirle in sostanze solubili. Per rimuovere efficacemente queste impurità, possono essere pulite mediante un semplice lavaggio con acqua, ottenendo così la purificazione della grafite. Questo processo aiuta a migliorare la purezza della grafite e quindi soddisfa le esigenze di varie applicazioni industriali.
Metodo alcalino-acido
Il metodo degli acidi alcalini- comprende due processi: fusione degli alcali e digestione acida. Cioè, le impurità acide nella grafite, come silicati, alluminosilicati e quarzo, reagiscono prima chimicamente con sostanze alcaline allo stato fuso per formare sali solubili, che vengono poi rimossi mediante lavaggio con acqua. Successivamente, le impurità che non hanno reagito con gli alcali durante la fusione degli alcali, come gli ossidi metallici, reagiscono con l'acido per formare composti solubili in acido-, che vengono poi sottoposti a lavaggio con acqua e filtrazione per ottenere la purificazione finale della grafite. Nel processo di fusione alcalina, NaOH viene solitamente selezionato come sostanza alcalina perché ha un basso punto di fusione (punto di fusione 318 gradi), forte alcalinità e basso prezzo. L'acido utilizzato nel processo di digestione acida può essere HCl, H₂SO₄, HNO₃ o un acido misto preparato da essi, tra i quali è più comunemente utilizzato HCl.
Metodo di tostatura con clorazione
Per ridurre la temperatura richiesta per la calcinazione ad alta-temperatura, viene utilizzato anche un metodo che prevede l'introduzione di cloro gassoso per convertire le impurità in cloruri e quindi separarle. Questo sistema relativamente ben-consolidato è chiamato metodo di tostatura con clorazione. Nel metodo di tostatura per clorazione, la grafite viene miscelata con un agente riducente in una determinata proporzione e calcinata ad alta temperatura sotto protezione di gas inerte, decomponendo le impurità nella grafite in ossidi come SiO₂, Fe₂O₃ e Al₂O₃. Viene quindi introdotto il cloro gassoso e, ad una temperatura elevata di 400-1200 gradi, gli ossidi vengono convertiti in cloruri e complessi con punti di fusione e di ebollizione inferiori, che vaporizzano e fuoriescono, raggiungendo così lo scopo di purificazione.