يمتلك الجرافيت، باعتباره متآصلًا للكربون، العديد من الخصائص الخاصة نظرًا لبنيته البلورية الفريدة. تنتمي بلورات الجرافيت إلى النظام السداسي ولها ترتيب متعدد الطبقات. وفي كل طبقة، ترتبط ذرات الكربون ببعضها البعض في ترتيب فريد، حيث تشكل ست ذرات كربون حلقات سداسية منتظمة على نفس المستوى، وكل ذرة كربون محاطة بثلاث ذرات كربون متجاورة. يمكن للإلكترونين 2p المتعامدين مع مستويات ذرة الكربون، غير المشاركين في التهجين، أن يتحركا بحرية داخل الشبكة البلورية ويتداخلان لتكوين روابط π، وبالتالي يمنح الجرافيت موصلية كهربائية وحرارية جيدة.
يعتبر الجرافيت موصلًا ممتازًا، فهو لا يمتلك موصلية حرارية جيدة فحسب، بل يمتلك أيضًا موصلية كهربائية متميزة. وفي الوقت نفسه، فإنه يُظهر صلابة وقوة منتظمة عالية، ويحافظ على خصائصه القوية والمستقرة حتى في البيئات ذات درجات الحرارة العالية-التي تتجاوز 3600 درجة. يُفضل الجرافيت أيضًا بشكل كبير بسبب خصائص التشحيم الممتازة، والخمول الكيميائي، ومقاومته للتآكل، مما يجعله قابلاً للتطبيق على نطاق واسع في العديد من المجالات [3].
بناءً على الأشكال البلورية المختلفة للجرافيت الطبيعي، يمكن تصنيفه صناعيًا إلى جرافيت بلوري وجرافيت أفانيتي (غير متبلور). ومن بين هذه العناصر، يمكن تقسيم الجرافيت البلوري ذو التبلور الأفضل إلى جرافيت مقطوع (جرافيت بلوري ضخم) وجرافيت رقيق.
عادة ما يحدث الجرافيت المتقشر كبلورات فردية أو كنمو بلوري متوازي في شكل صفائح ورقائق رقيقة. عادة ما يكون شكله البلوري متطورًا بشكل جيد-وغالبًا ما يوجد كمجموعات، مع أحجام حبيبات بلورية تتجاوز عمومًا 1 ميكرومتر. يتمتع خام الجرافيت المتقشر المستخرج بشكل طبيعي بدرجة منخفضة نسبيًا، ولكن بالمقارنة مع الأنواع الأخرى من الجرافيت، فإنه يُظهر قابلية تعويم فائقة، ومداهنة، ومرونة، مما يعطي عمومًا قيمة اقتصادية أعلى للجرافيت. يحتوي الجرافيت المقطوع عادةً على محتوى كربون يتراوح بين 60% إلى 65%، ويصل البعض إلى أكثر من 80%، لكن اللدونة والتشحيم أدنى من تلك الموجودة في رقائق الجرافيت.
نظرًا لضعف تبلوره، فإن التشكل البلوري للجرافيت الأفانيتي لا يمكن رؤيته إلا تحت المجهر الإلكتروني، ويبدو ترابيًا للعين المجردة؛ ومن ثم، يُعرف أيضًا باسم الجرافيت الترابي أو غير المتبلور أو الجريزوفولفين. يمتلك الجرافيت الأفانيتي بريقًا منخفضًا نسبيًا، ولا يمكن مقارنة مداهنته بلمعان رقائق الجرافيت. ومع ذلك، فإن درجتها أعلى بشكل عام، حيث يصل بعضها إلى أكثر من 90٪ [4].
2. تطبيقات الجرافيت
يمتلك الجرافيت الطبيعي خصائص فيزيائية وكيميائية ممتازة، مما يؤدي إلى مجموعة واسعة من التطبيقات. إنه يلعب دورًا لا يمكن الاستغناء عنه وهامًا في العديد من الصناعات، بما في ذلك الصناعات المعدنية والتشحيم والختم والطاقة النووية وتخزين الطاقة.
في الصناعة المعدنية، يعد الجرافيت الطبيعي مادة خام أساسية للحراريات وتطبيقات المسابك. من خلال الاستفادة من الموصلية الكهربائية الجيدة والمقاومة العالية-لدرجات الحرارة، تعمل أقطاب الجرافيت كمكونات رئيسية في صناعة الصلب بفرن القوس الكهربائي، حيث تتكيف بشكل موثوق مع ظروف الصهر ذات درجات الحرارة العالية-. في الوقت نفسه، تُستخدم المواد الحرارية المعتمدة على الجرافيت-، مع مقاومتها الموثوقة لدرجات الحرارة العالية-ومقاومتها للتآكل، على نطاق واسع كبطانة للهياكل في الفولاذ،-وصهر المعادن غير الحديدية، ومختلف أفران المعادن ذات درجات الحرارة العالية-، مما يجعلها مواد أساسية لا غنى عنها لصناعة المعادن [5].
في مجال التشحيم، لا غنى عن مواد التشحيم في الحياة الحديثة، وتستخدم في السيارات والسفن والطائرات والأدوات الآلية. في ظل ظروف خاصة معينة، مثل درجات الحرارة المرتفعة، يمكن أن يتضاءل أداء زيوت التشحيم بشكل كبير، مما يؤدي في كثير من الأحيان إلى عدم كفاية التشحيم. قوة الترابط بين طبقات الجرافيت ضعيفة، مما يسمح بسهولة الانزلاق تحت قوة خارجية؛ لذلك، يُظهر الجرافيت خصائص تشحيم ممتازة وهو مادة تشحيم صلبة مثالية. علاوة على ذلك، نظرًا لمقاومتها العالية لدرجات الحرارة-، يمكن لمواد التشحيم المعتمدة على الجرافيت- أن تعمل بفعالية في البيئات القاسية مثل درجات الحرارة المرتفعة، مما يحقق نتائج جيدة [6].
في مجال الختم، تجد مواد الختم الجرافيتية، نظرًا لمقاومتها المتميزة للتآكل، ومقاومتها لدرجات الحرارة العالية-واستقرارها الهيكلي، تطبيقًا واسع النطاق في صناعات مثل الهندسة الكيميائية والآلات والإلكترونيات. استنادًا إلى هيكله الفريد من نوعه وخصائص الختم الجيدة، يمكن للجرافيت الطبيعي أن يتكيف بشكل فعال مع ظروف الختم في المعدات الميكانيكية المختلفة، ويحافظ على أداء مستقر في البيئات المعقدة والقاسية ويطيل عمر خدمة مكونات الختم بشكل كبير [5]. بالإضافة إلى ذلك، فإن ضغط الجرافيت المسامي عالي الطاقة-السطح-الموسع يمكن أن ينتج صفائح جرافيت مرنة. نظرًا لمقاومتها العالية لدرجات الحرارة-، ومقاومة التآكل، والثبات الكيميائي، وبعض القوة الميكانيكية، يمكن لهذه الصفائح أن تعمل بفعالية في ظل ظروف خاصة، مما يكسب الجرافيت المرن سمعة "ملك الختم" [6].
في قطاع الطاقة النووية،-يعد الجرافيت الطبيعي عالي النقاء المادة الخام الأساسية لتصنيع معدلات النيوترونات في المفاعلات النووية. إن أداءها الممتاز في اعتدال النيوترونات واستقرارها الهيكلي في درجات الحرارة العالية-يجعل منها مادة أساسية لمحطات الطاقة النووية ومنشآت الأبحاث النووية. في أنواع محددة من المفاعلات النووية، يمكن أن يعمل الجرافيت الطبيعي أيضًا كمواد هيكلية، مما يزيد من قوته الميكانيكية الجيدة ومقاومته للإشعاع ومقاومته لدرجات الحرارة العالية-للحفاظ على خدمة مستقرة طويلة الأمد-في ظل الظروف القاسية لدرجة الحرارة العالية والإشعاع المكثف، دون أن يتشوه أو يتعطل بسهولة، وبالتالي ضمان التشغيل الآمن للمعدات النووية [5].
في مجال تخزين الطاقة، مع التطور السريع لصناعة الطاقة الجديدة، يستمر الطلب في السوق على الجرافيت الطبيعي في التوسع. أدى النمو السريع لصناعة بطاريات الليثيوم إلى زيادة طلب السوق بشكل كبير على مواد الأنود، ويعتبر الجرافيت الطبيعي، بخصائصه الكهروكيميائية الفريدة، مادة خام مفضلة لتصنيع أنودات بطاريات الليثيوم. حاليًا، تعتمد العديد من المجالات مثل مركبات الطاقة الجديدة ومحطات الاتصالات المتنقلة والشبكات الصغيرة على بطاريات الليثيوم كمصدر أساسي للطاقة، مما يضمن أن مواد أنود بطارية الليثيوم الجرافيت ستستمر في امتلاك قدرة تنافسية صناعية قوية في سوق الطاقة الجديدة في المستقبل [7].
3. طرق تنقية الجرافيت
حاليًا، يمكن تصنيف طرق تنقية الجرافيت الطبيعي إلى طرق فيزيائية وكيميائية. من بينها، تتضمن طرق التنقية الفيزيائية بشكل أساسي طرق التعويم ودرجات الحرارة المرتفعة؛ تشتمل طرق التنقية الكيميائية على طريقة الأحماض القلوية -، وطريقة حمض الهيدروفلوريك، وطريقة التحميص بالكلور.
3.1 طريقة التعويم
طريقة التعويم هي عملية معالجة معدنية يتم فيها فصل المعادن الصلبة عن المعلق المائي بناءً على الاختلافات في خواصها الفيزيائية والكيميائية السطحية. لا يمكن ترطيب سطح الجرافيت بسهولة بالماء، مما يمنحه قابلية طفو جيدة ويسمح بفصله بسهولة عن الشوائب، مما يجعله مناسبًا للتنقية عن طريق التعويم [8].
يشتمل التدفق الإجمالي للعملية لطريقة التعويم بشكل أساسي على ثلاث خطوات أساسية: الطحن، وفصل التعويم، وإعادة تدوير المواد الوسيطة. أولا، يتم سحق خام الجرافيت الطبيعي الخام وطحنه. من خلال الطحن الميكانيكي، يتم تحقيق التحرير الأولي لمونومرات الجرافيت من شوائب الشوائب، مما يضع الأساس لعمليات الفصل اللاحقة. بعد الطحن، يتم خلط لب الجرافيت ونقعه في كواشف كيميائية محددة. من خلال تعديل الكاشف، يتم تحسين اختلافات التوتر السطحي للجرافيت، مما يوسع فجوة الطفو بين الجرافيت ومعادن الشوائب ويخلق الظروف اللازمة لإزالة الشوائب بكفاءة. بعد ذلك، يتم استخدام عملية تعويم مشتركة تشتمل على مراحل متعددة من التخشين والكسح والتنظيف لإزالة مكونات الشوائب من اللب تدريجيًا، مما يزيد بشكل فعال من نقاء تركيز الجرافيت. أثناء عملية التعويم، تتم إضافة كواشف التعويم المناسبة لزيادة تحسين طفو الجرافيت وتعزيز كفاءة الفصل. تشتمل المجمعات الصناعية شائعة الاستخدام على زيت الديزل والكيروسين وزيت الصنوبر وما إلى ذلك. [9].
طريقة التعويم، كخطوة أولى في تنقية الجرافيت، قابلة للتطبيق بشكل أساسي على المعالجة المسبقة للجرافيت منخفض-الكربون، ورقائق الجرافيت الكبيرة-. تتمتع هذه العملية بنظام تكنولوجي ناضج، ومعدات دعم بسيطة، واستهلاك إجمالي منخفض للطاقة، وتكاليف إنتاج يمكن التحكم فيها، مما يوفر مزايا اقتصادية كبيرة. إنها تقنية فعالة من حيث التكلفة-لتنقية خام الجرافيت في التطبيقات الصناعية. ومع ذلك، فإن طريقة التعويم لها قيود ملحوظة وغير مناسبة لتنقية الجرافيت الجريزوفولفين بكفاءة. بالمقارنة مع الجرافيت البلوري، يحتوي الجرافيت البلوري الدقيق عمومًا على محتوى شوائب إجمالي أقل، لكن حالة حدوث الشوائب الفريدة الخاصة به تحد بشكل كبير من فعالية إزالة شوائب التعويم. جزيئات الجرافيت البلوري الدقيقة دقيقة للغاية وترتبط ارتباطًا وثيقًا بمعادن الشوائب، وغالبًا ما تكون مدمجة داخل معادن الطين. أثناء الطحن، من الصعب تحقيق تحرير كافٍ لمونومرات الجرافيت من الشوائب، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في كفاءة فصل التعويم. في نهاية المطاف، من الصعب الحصول على-مركزات الجرافيت عالية النقاء، مما يفشل في تلبية متطلبات التطبيقات الصناعية المتطورة. باختصار، يمكن أن تكون عملية تعويم الجرافيت بمثابة طريقة تنقية أساسية فقط، وتستخدم بشكل أساسي لإزالة معظم الشوائب التي يمكن فصلها بسهولة من خام الجرافيت الخام، مما يقلل بشكل فعال من استهلاك الكاشف وفقدان الطاقة في عمليات التنقية العميقة اللاحقة وتوفير-قاعدة مواد خام عالية الجودة لمزيد من التنقية [10-11].
3.2 طريقة درجة الحرارة العالية-
تستخدم طريقة درجة الحرارة المرتفعة-الفرق في نقاط الغليان بين الجرافيت (نقطة انصهار عالية) والشوائب (نقاط غليان منخفضة). تحت حماية الغلاف الجوي الخامل، يتم التحكم في درجة الحرارة ضمن نطاق مناسب، مما يتسبب في تبخر وخروج الشوائب ذات نقطة الغليان المنخفضة -- مثل أكاسيد المعادن والسيليكات والهروب أولاً، بينما تظل نقطة الانصهار-الكربون المرتفعة- في شكل صلب، وبالتالي تحقيق فصل وتنقية عميقين [12].
المواد الخام المستخدمة في طريقة درجة الحرارة العالية-هي عادةً مركزات الجرافيت التي يتم الحصول عليها بعد تنقية التعويم أو جرافيت عالي-الكربون يتم الحصول عليه بعد التنقية الكيميائية، مع تتراوح محتويات الكربون بشكل عام من 95% إلى 99% [13]. يمكن لهذه الطريقة تحقيق نقاء الجرافيت بحوالي 99.995%. على الرغم من أنه يمكنه إزالة الشوائب المضمنة في شبكة الجرافيت بشكل فعال دون تدمير بنية الجرافيت، مما يؤدي إلى تحسين جودة المنتج بكفاءة، إلا أنه غالبًا ما يكون قابلاً للتطبيق فقط على -قطاعات التكنولوجيا المتقدمة مثل الدفاع والصناعة النووية والفضاء. ويرجع ذلك إلى أن عيوب هذه الطريقة كبيرة: فهي تتطلب معدات كثيرة المتطلبات، واستهلاكًا كبيرًا للطاقة، وتتضمن تكاليف استثمارية وتشغيلية كبيرة، مما يجعلها غير مناسبة للإنتاج على نطاق واسع-وتخدم في المقام الأول-منتجات الجرافيت عالية الجودة [12].
3.3 الطريقة القلوية-الحمضية
تعد طريقة الأحماض القلوية-، والتي تتكون من عمليتين-دمج القلويات وترشيح الأحماض-بالتسلسل وفقًا للتدفق الصناعي، طريقة فعالة نسبيًا لتنقية الجرافيت الطبيعي. عملية دمج القلويات: الاستفادة من مقاومة الجرافيت للأحماض والقلويات، حيث يتم خلط الجرافيت والقلويات بشكل موحد بنسبة معينة ثم يتم تحميصها عند درجة حرارة عالية. في الحالة المنصهرة، تتفاعل الشوائب مثل سيليكات الألومنيوم والكوارتز والسيليكات الموجودة في الجرافيت كيميائيًا مع القلويات، وتشكل سيليكات حمضية - قابلة للذوبان أو سيليكات قابلة للذوبان في الماء -، والتي تتم بعد ذلك إزالتها عن طريق الغسيل بالماء. عملية الترشيح الحمضي: يتم إخضاع الجرافيت القلوي والهيدروكسيدات المندمجة - للترشيح الساخن بمحلول حمض الهيدروكلوريك بتركيز محدد، مما يحول أكاسيد المعادن إلى أملاح قابلة للذوبان. وأخيرًا، من خلال عمليات مثل الغسيل ونزح الماء، يتم الحصول على الجرافيت المنقى.
في الوقت الحالي، تعد طريقة الأحماض-القلوية طريقة تنقية يتم استخدامها بشكل شائع من قبل منتجي الجرافيت عالي النقاء- في الصين. وتشمل أعظم مزاياها انخفاض الاستثمار الأولي، ومعدات التفاعل البسيطة، وتعدد الاستخدامات القوي، والقدرة على التكيف الجيد مع العمليات، والنقاء العالي نسبيًا ودرجة المنتجات التي تم الحصول عليها. تتمثل العيوب في ضرورة التكليس في درجات حرارة عالية، واستهلاك كبير للطاقة والمعدات، وكفاءة تنقية منخفضة نسبيًا، وفقدان كبير للمعادن القيمة، واحتمال التلوث البيئي [14].
3.4 طريقة حمض الهيدروفلوريك
حمض الهيدروفلوريك (HF) هو حمض قوي يمكنه التفاعل مع معظم الشوائب الموجودة في الجرافيت. ومع ذلك، يتمتع الجرافيت عادةً بمقاومة جيدة للأحماض في درجة حرارة الغرفة وهو مستقر كيميائيًا، خاصة أنه لا يتفاعل مع حمض الهيدروفلوريك. من خلال نقع الجرافيت في حمض الهيدروفلوريك، والسماح بالتفاعل مع مرور الوقت، متبوعًا بالغسيل والترشيح، يبقى الجرافيت عالي النقاء-نسبيًا.
يمكن أن تؤدي عملية التنقية باستخدام طريقة حمض الهيدروفلوريك إلى إزالة معظم الشوائب من الجرافيت، مما يؤدي إلى الحصول على جرافيت عالي النقاء- وبتكلفة منخفضة. إنها إحدى الطرق الأسهل والأكثر فعالية لتنقية الجرافيت. ومع ذلك، فإن حمض الهيدروفلوريك شديد السمية، مما يشكل مخاطر كبيرة على السلامة أثناء عملية الإنتاج، مما يمنع اعتماده وتطبيقه على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي [15].
3.5 طريقة التحميص بالكلور
تتضمن طريقة التحميص بالكلور إضافة كمية معينة من مادة الاختزال (غاز الكلور، ورابع كلوريد الكربون) إلى الجرافيت والتحميص في درجات حرارة عالية تحت جو معين. تتفاعل شوائب الأكسيد مع غاز الكلور في تفاعل الكلورة، وتحولها إلى كلوريدات. تتحلل الشوائب مثل السيليكات والألومينوسيليكات والكوارتز الموجودة في الجرافيت إلى أكاسيد مثل ثاني أكسيد السيليكون وأكسيد الألومنيوم وأكسيد الحديد وأكسيد الكالسيوم تحت -تسخين بدرجة حرارة عالية. نظرًا لأن نقاط غليان هذه الكلوريدات منخفضة نسبيًا، فإنها تتبخر وتهرب أثناء عملية التحميص ذات درجة الحرارة العالية-، وبالتالي تحقيق إزالة الشوائب وتنقيتها.
تعمل طريقة التحميص بالكلور على إزالة الشوائب عن طريق إضافة غازات مختزلة مثل الكلور لتحويل الشوائب إلى أشكال كلوريد. توفر هذه الطريقة كفاءة تنقية عالية ومعدلات استرداد جيدة. إلا أن غاز الكلور من الغازات الخطرة الضارة بالبيئة، وتتميز العملية بعدم الاستقرار مما يحد من تطوره [16].