高純石墨的生產(chǎn)及質(zhì)量控制

高純石墨的生產(chǎn)及質(zhì)量控制

高純度石墨可分為三類：粗結(jié)構(gòu)、細(xì)結(jié)構(gòu)和細(xì)顆粒結(jié)構(gòu)。碳含量超過(guò)99.99%。它主要用于直拉單晶硅爐、石墨粉、石墨電極光譜分析等領(lǐng)域。目前生產(chǎn)制備高純石墨的方法主要有堿酸法、HF提純法、H2SO4HF法、高溫提取法和氯化焙燒法五種。堿酸法具有生產(chǎn)成本低,一次性投資少,產(chǎn)品質(zhì)量比較穩(wěn)定可靠,但是設(shè)備腐蝕嚴(yán)重,能量消耗較大;HF法一次性投資最少,但是生產(chǎn)條件惡劣且環(huán)境污染嚴(yán)重;H2SO4HF法;投資較少,可連續(xù)生產(chǎn),但產(chǎn)品含硫且污染環(huán)境。高溫提純法一次性投資大,能耗高,連續(xù)生產(chǎn)條件苛刻。氯化焙燒法產(chǎn)品純度低(98.8%)。我們經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn),探索出一種用王水替代氫氟酸提純高純石墨的改進(jìn)方法。用本方法生產(chǎn)高純石墨,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠,不會(huì)造成氟對(duì)環(huán)境的危害,也能有效地降低生產(chǎn)成本。1實(shí)驗(yàn)1.1試劑及儀器分析石墨(88%),湖北恒達(dá)石墨公司產(chǎn)(200目鱗片石墨);硫酸(95%-98%),分析純,宜昌瑞特精細(xì)化工有限公司;氫氟酸,40%,分析純,天津科密歐化學(xué)試劑有限公司;氫氧化鈉,分析純,天津科密歐化學(xué)試劑有限公司;鹽酸(37%),分析純,宜昌瑞特精細(xì)化工有限公司;硝酸(63%),分析純,神龍化學(xué)試劑有限公司;偏硼酸鈉,分析純,上海試劑廠。高溫箱形電阻爐,電子分析天平F004-A;磁力加熱攪拌器;聚四氟乙烯容器等。1.2石墨的堿熔改性石墨中的主要雜質(zhì)有SiO2,CaO,MgO,Al2O3,Fe2O3等,表1為用于制備高純石墨原料的各組分含量。針對(duì)石墨原料雜質(zhì)含量具體情況,本制備方法包括堿融和酸解兩個(gè)過(guò)程。1)堿融過(guò)程。將一定的石墨,NaOH溶液,偏硼酸鈉(助溶劑,偏硼酸鈉的用量為:偏硼酸鈉組分在NaOH中所占比例為5%～6%)混合均勻放入反應(yīng)器中加熱熔融,熔融溫度為T=400℃,時(shí)間為2.5h,NaOH的濃度為30%,用量NaOH∶石墨=1∶0.6。反應(yīng)2.5h后,冷卻至100℃以下,加入自來(lái)水洗至洗液的pH為7～8過(guò)濾。2)酸解過(guò)程。將堿熔處理后的石墨加入王水(鹽酸∶硝酸=3∶1),用量為王水∶石墨=1∶.6,在密閉環(huán)境下反應(yīng)3h。然后過(guò)慮,用蒸餾水洗至pH7～8,干燥既得產(chǎn)品。1.3高純度石墨的檢驗(yàn)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《石墨分析方法》(GB3521-83)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)。2堿融過(guò)程及影響因素堿融過(guò)程是利用氫氧化鈉能與二氧化硅反應(yīng)生成可溶性的硅酸鹽,水洗除去硅酸根離子,達(dá)到除雜的目的。同時(shí)會(huì)生成金屬的氫氧化物沉淀,沉淀將通過(guò)第二步的酸解過(guò)程除去。堿融過(guò)程中涉及到眾多的影響因素:如堿融時(shí)間、堿融溫度、氫氧化鈉的用量、氫氧化鈉的濃度。下面就對(duì)這些影響因素分別進(jìn)行試驗(yàn),優(yōu)化制備工藝條件。2.1堿性固碳時(shí)間對(duì)去除雜質(zhì)的影響堿融時(shí)間分別為1.0h、1.5h、2.0h、2.5h、3.0h、3.5h,石墨經(jīng)堿融過(guò)程和高溫灼燒后相應(yīng)灰分含量列于表2中。2.2堿融試驗(yàn)對(duì)石墨片層結(jié)構(gòu)的影響不同溫度下氫氧化鈉與二氧化硅的反應(yīng)程度不一樣,對(duì)石墨片層結(jié)構(gòu)中含有的金屬硅酸鹽的作用程度也不一樣,不同的溫度下進(jìn)行堿融試驗(yàn),在高溫灼燒后相應(yīng)灰分含量列于表3中。2.3堿的用量對(duì)石墨中聚合物的影響堿融過(guò)程中氫氧化鈉的用量對(duì)二氧化硅的除去也存在影響。堿融過(guò)程中氫氧化鈉的用量越大對(duì)石墨中的硅酸鹽溶解越徹底,但綜合總體的經(jīng)濟(jì)效益則有所不同。為此對(duì)氫氧化鈉的用量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),通過(guò)對(duì)不同的C;氫氧化鈉=1、0.8、0.6、0.4、0.2進(jìn)行試驗(yàn)并得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見下表4。2.4各濃度對(duì)金屬氫氧化物含量的影響堿融過(guò)程所使用的氫氧化鈉的濃度同樣會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果。氫氧化鈉的濃度大小將影響金屬氫氧化物的含量,同時(shí)也會(huì)影響到水洗至中性是的用水量,下面就不同濃度的氫氧化鈉(50%、40%、30%、20%、10%)進(jìn)行試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)得出數(shù)據(jù)如下表5。2.5金屬離子的過(guò)濾酸解過(guò)程是利用王水的強(qiáng)氧化性使在堿融過(guò)程中形成的金屬氫氧化物沉淀和一些其他難溶物生成可溶性的金屬離子而存在于水中,通過(guò)過(guò)濾除去,從而達(dá)到提純的試驗(yàn)?zāi)康摹Ｋ峤獾臅r(shí)間不同將會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果,下面就不同的酸解時(shí)間(1.0h、1.5h、2.0h、2.5h、3.0h、3.5h、4.0h)進(jìn)行試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)得出的王水酸解時(shí)間見表6。2.6石墨的用量比本法制備高純石墨的最優(yōu)條件:堿融時(shí)間為2.5h,堿融溫度400℃,氫氧化鈉的濃度為30%時(shí)用量比,石墨∶氫氧