ما هو الجرافيت المنقى؟

في مجال علم المواد، يُستخدم الجرافيت على نطاق واسع في مجال علم المواد، وذلك بفضل خصائصه الفيزيائية والكيميائية الفريدة، بدءًا من خيوط الأقلام الرصاص وحتى المنتجات عالية التقنية. ومع ذلك ، هناك العديد من الشوائب في الجرافيت الطبيعي ، مما يؤثر بشكل خطير على الأداء. وأصبح الجرافيت المنقى هو المفتاح، والذي يمكن أن يساعده على لعب قيمة أكبر، وتعزيز تطوير التكنولوجيا.

طريقة تحضير الجرافيت المنقى

الطريقة الفيزيائية

طريقة التعويم:

يتحقق الفصل بناءً على الاختلاف في الخواص الفيزيائية لسطح الجرافيت والشوائب. خاصةً قابلية التبلل المختلفة. إن قابلية الجرافيت الطبيعية للماء جيدة، والمعادن الشوائب محبة للماء. يتم طحن خام الجرافيت وخلطه بالماء لتكوين اللب، ويضاف عامل التجميع وعامل الرغوة. يجعل المجمّع الجرافيت أكثر كراهية للماء ويسهل التصاقه بالفقاعات. وينتج عامل الرغوة فقاعات مستقرة. ومن خلال الهواء إلى اللب، يطفو الجرافيت مع الفقاعات لتكوين طبقة رغوية. وتبقى الشوائب في القاع لتحقيق الفصل.

العملية بسيطة ومنخفضة التكلفة ومناسبة لمعالجة خام الجرافيت على نطاق واسع. ولكن من الصعب إزالة شوائب التضمين الدقيقة الحبيبات، وتأثير التنقية محدود. عموما يمكن فقط زيادة نقاء الجرافيت إلى 80%-90%.

طريقة التسامي بدرجة حرارة عالية:

استخدام الجرافيت ودرجة حرارة تسامي الشوائب هو تنقية مختلفة. تصل درجة انصهار الجرافيت إلى 3652 درجة مئوية، ومن الصعب ذوبانه تحت الضغط الجوي. تحت درجة حرارة عالية المكنسة الكهربائيةتكون درجة الحرارة أعلى من 2700 ℃. يتم تسامي الشوائب مثل السيليكون والألومنيوم والحديد بشكل تفضيلي، ويبقى الجرافيت صلبًا بشكل أساسي. ضع الجرافيت في فرن خاص بدرجة حرارة عالية. عند 10^–3 -10^–5 Pa درجة حرارة تفريغ عالية إلى 2800-3000 ℃، تتسامى الشوائب بعد استخلاصها بواسطة مضخة التفريغ. هذا يمكن أن يحصل على أكثر من 99.99% نقاء الجرافيت. ومع ذلك، فإن المعدات باهظة الثمن، واستهلاك الطاقة كبير، ومقياس الإنتاج محدود.

الطريقة الكيميائية

طريقة الحمض القلوي:

عادة باستخدام طريقة التنقية الكيميائية، التفاعل مع القلويات والأحماض لتحويل الشوائب إلى مواد قابلة للذوبان لإزالتها. أولاً، يتم خلط الجرافيت وهيدروكسيد الصوديوم بالتناسب، وتحميصهما عند درجة حرارة 500-700 ℃. وتتفاعل الشوائب مثل السيليكا والألومينا لإنتاج سيليكات الصوديوم وميتالومينات الصوديوم. تم غمر المنتجات المحمصة في الماء وتصفيتها لإزالة الملح القابل للذوبان. ثم يضاف حمض الهيدروكلوريك إلى بقايا المرشح والحديد والكالسيوم والشوائب المعدنية الأخرى لإنتاج كلوريد قابل للذوبان. بعد الترشيح، غسل الجرافيت المنقى. العملية ناضجة، والمعدات بسيطة، وتأثير التنقية جيد، ويمكن أن تزيد من نقاء الجرافيت إلى 95%-99%. لكنها ستنتج الكثير من مخلفات مياه الصرف الصحي، مما يلوث البيئة.

طريقة حمض الهيدروفلوريك:

استخدام حمض الهيدروفلوريك وتنقية الشوائب. يتفاعل حمض الهيدروفلوريك مع الشوائب مثل ثاني أكسيد السيليكون لتكوين غاز رابع فلوريد السيليكون المتطاير. يتم خلط الجرافيت مع حمض الهيدروفلوريك بالتناسب، ويتفاعل عند درجة الحرارة المناسبة، ثم يُرشّح ويغسل بعد الانتهاء للحصول على جرافيت عالي النقاء. يمكن أن يؤدي ذلك إلى زيادة نقاء الجرافيت إلى أكثر من 99%. ومع ذلك، فإن حمض الهيدروفلوريك شديد التآكل وسام، وله متطلبات سلامة عالية للمعدات والأفراد. ومن الصعب معالجة مياه الصرف المحتوية على الفلور، كما أن تكلفة حماية البيئة مرتفعة.

توصيف أداء الجرافيت المنقى

اختبار النقاء يعني

التحليل الكيميائي:

استخدام أدوات للتحليل الكمي لعناصر شوائب الجرافيت لتحديد النقاء. مثل ICP-MS يمكن أن يقيس في نفس الوقت مجموعة متنوعة من العناصر النزرة، والحساسية الفائقة للغاية، ويمكنه اكتشاف المحتوى المنخفض جدًا من الشوائب. يركز AAS بشكل أساسي على الشوائب المعدنية، عن طريق تفتيت العينة وقياس درجة امتصاص الضوء. يتم حساب تركيز الشوائب بدقة، ومن ثم يتم الحصول على نقاء الجرافيت.

طريقة تحديد الرماد:

تُحرق عينة الجرافيت عند درجة حرارة 950-1000 ℃ إلى وزن ثابت، والمواد العضوية المتطايرة، إلخ. يمكن أن يعكس جزء كتلة الرماد المتبقي بشكل غير مباشر نقاء الجرافيت. العملية بسيطة، ولكن يمكن معرفة المحتوى الكلي للشوائب فقط. ولا يمكن تحديد أنواع الشوائب المحددة.

مراقبة البنية المجهرية

مجهر المسح الإلكتروني (SEM)

تُستخدم لمراقبة الوضع المجهري للجرافيت، والتي يمكن أن تُظهر بوضوح التركيب الطبقي والتشكل البلوري وتوزيع الشوائب. وبدقة عالية، يمكنك حتى رؤية السمات المجهرية مثل العيوب البلورية. يساعدنا ذلك على فهم خصائص الجرافيت وتأثيرات التنقية على بنيته.

المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) :

يسمح بدراسة متعمقة لبنية الجرافيت المجهرية، مثل البنية الشبكية. يخترق العينات الرقيقة ويستخدم تقنيات حيود الإلكترون والتصوير للكشف عن الترتيبات الذرية. يساعد على دراسة التغيرات في البنية البلورية للجرافيت أثناء التنقية.

اختبار الأداء

اختبار التوصيلية:

الموصلية الكهربائية للجرافيت نفسه جيدة، وهي أفضل بعد التنقية. تُستخدم طريقة المسبار الأربعة بشكل شائع لقياس المقاومة الكهربائية وحساب الموصلية الكهربائية، وهي مفتاح القياس. في بطاريات الليثيوم أيون، يمكن لأنود الجرافيت ذي الموصلية العالية أن يحسن كفاءة شحن البطارية وتفريغها.

اختبار الثبات الحراري:

يُعد الاستقرار الحراري أمرًا بالغ الأهمية للجرافيت في تطبيقات درجات الحرارة العالية. تم تحليل تغيرات الكتلة والحرارة عن طريق تحليل قياس الثقل الحراري (TGA) وقياس المسعر بالمسح التفاضلي (DSC) على التوالي. لتقييم ثبات أداء الجرافيت في درجات حرارة مختلفة.

تطبيقات الجرافيت المنقى

بطاريات الليثيوم أيون

في بطاريات الليثيوم أيون، يعد الجرافيت من العناصر الشائعة أنود المواد. يتمتع الجرافيت المنقى بقدرة محددة نظرية أعلى واستقرار دورة أفضل، مما يمكن أن يقلل من إعاقة الشوائب لأنشطة الليثيوم أيون. ويمكنه تقليل المقاومة الداخلية وتحسين كثافة طاقة البطارية وكفاءة الشحن والتفريغ وأداء المعدل وإطالة عمر الدورة. ويمكنه تلبية الطلب على البطاريات عالية الأداء مثل السيارات الكهربائية.

تصنيع أشباه الموصلات

يتطلب تصنيع أشباه الموصلات درجة نقاء عالية جدًا للمواد. يمكنك استخدام الجرافيت المنقى في معدات الإنتاج قوارب الجرافيتوالتركيبات والمكونات الأخرى. بسبب محتواه المنخفض جدًا من الشوائب، يمكنه تجنب تلويث أجهزة أشباه الموصلات. نقاوته العالية واستقراره الحراري يمكن أن يلبي درجة الحرارة العالية ومتطلبات العملية عالية الدقة. لضمان إنتاج عالي الجودة لأجهزة أشباه الموصلات.

الصناعة النووية

في الصناعة النووية، يُستخدم الجرافيت كمهدئ نيوتروني ومادة عاكسة. أداء تباطؤ نيوترونات الجرافيت المنقى جيد، والاستقرار الكيميائي قوي. ويمكنه التحكم بفعالية في سرعة وتوزيع النيوترونات، وتقليل تداخل الشوائب على التفاعلات النووية. وهو يحسن سلامة المفاعل وكفاءة التشغيل، وله أهمية كبيرة في المفاعلات النووية المتقدمة.

مواد تشحيم عالية الجودة

يتمتع الجرافيت بأداء تشحيم جيد وهو مادة خام مهمة لمواد التشحيم المتطورة. يمكن لمواد التشحيم المصنوعة من الجرافيت المنقى أن تحافظ على أداء تشحيم ممتاز في ظل ظروف قاسية مثل درجات الحرارة العالية والضغط العالي والفراغ العالي. ويمكنها تلبية الاحتياجات المتطلبة للمعدات في مجال الطيران، وتقليل تآكل المكونات.

الخاتمة

يمكن للجرافيت المنقى إزالة الشوائب بفعالية وتحسين الأداء. كما أن طرق التنقية المختلفة لها مزايا وعيوب ينبغي النظر فيها بشكل شامل. ولها قيمة تطبيقية كبيرة في العديد من المجالات وتعزز التنمية الصناعية. وفي المستقبل، سيتم تطوير وتطبيق تكنولوجيات تنقية أكثر كفاءة وصديقة للبيئة ومنخفضة التكلفة.