高纯石墨的生产及质量控制

高纯石墨的生产及质量控制

高纯度石墨可分为三类：粗结构、细结构和细颗粒结构。碳含量超过99.99%。它主要用于直拉单晶硅炉、石墨粉、石墨电极光谱分析等领域。目前生产制备高纯石墨的方法主要有碱酸法、HF提纯法、H2SO4HF法、高温提取法和氯化焙烧法五种。碱酸法具有生产成本低,一次性投资少,产品质量比较稳定可靠,但是设备腐蚀严重,能量消耗较大;HF法一次性投资最少,但是生产条件恶劣且环境污染严重;H2SO4HF法;投资较少,可连续生产,但产品含硫且污染环境。高温提纯法一次性投资大,能耗高,连续生产条件苛刻。氯化焙烧法产品纯度低(98.8%)。我们经过多次实验,探索出一种用王水替代氢氟酸提纯高纯石墨的改进方法。用本方法生产高纯石墨,产品质量稳定可靠,不会造成氟对环境的危害,也能有效地降低生产成本。1实验1.1试剂及仪器分析石墨(88%),湖北恒达石墨公司产(200目鳞片石墨);硫酸(95%-98%),分析纯,宜昌瑞特精细化工有限公司;氢氟酸,40%,分析纯,天津科密欧化学试剂有限公司;氢氧化钠,分析纯,天津科密欧化学试剂有限公司;盐酸(37%),分析纯,宜昌瑞特精细化工有限公司;硝酸(63%),分析纯,神龙化学试剂有限公司;偏硼酸钠,分析纯,上海试剂厂。高温箱形电阻炉,电子分析天平F004-A;磁力加热搅拌器;聚四氟乙烯容器等。1.2石墨的碱熔改性石墨中的主要杂质有SiO2,CaO,MgO,Al2O3,Fe2O3等,表1为用于制备高纯石墨原料的各组分含量。针对石墨原料杂质含量具体情况,本制备方法包括碱融和酸解两个过程。1)碱融过程。将一定的石墨,NaOH溶液,偏硼酸钠(助溶剂,偏硼酸钠的用量为:偏硼酸钠组分在NaOH中所占比例为5%～6%)混合均匀放入反应器中加热熔融,熔融温度为T=400℃,时间为2.5h,NaOH的浓度为30%,用量NaOH∶石墨=1∶0.6。反应2.5h后,冷却至100℃以下,加入自来水洗至洗液的pH为7～8过滤。2)酸解过程。将碱熔处理后的石墨加入王水(盐酸∶硝酸=3∶1),用量为王水∶石墨=1∶.6,在密闭环境下反应3h。然后过虑,用蒸馏水洗至pH7～8,干燥既得产品。1.3高纯度石墨的检验按国家标准《石墨分析方法》(GB3521-83)对产品进行检验。2碱融过程及影响因素碱融过程是利用氢氧化钠能与二氧化硅反应生成可溶性的硅酸盐,水洗除去硅酸根离子,达到除杂的目的。同时会生成金属的氢氧化物沉淀,沉淀将通过第二步的酸解过程除去。碱融过程中涉及到众多的影响因素:如碱融时间、碱融温度、氢氧化钠的用量、氢氧化钠的浓度。下面就对这些影响因素分别进行试验,优化制备工艺条件。2.1碱性固碳时间对去除杂质的影响碱融时间分别为1.0h、1.5h、2.0h、2.5h、3.0h、3.5h,石墨经碱融过程和高温灼烧后相应灰分含量列于表2中。2.2碱融试验对石墨片层结构的影响不同温度下氢氧化钠与二氧化硅的反应程度不一样,对石墨片层结构中含有的金属硅酸盐的作用程度也不一样,不同的温度下进行碱融试验,在高温灼烧后相应灰分含量列于表3中。2.3碱的用量对石墨中聚合物的影响碱融过程中氢氧化钠的用量对二氧化硅的除去也存在影响。碱融过程中氢氧化钠的用量越大对石墨中的硅酸盐溶解越彻底,但综合总体的经济效益则有所不同。为此对氢氧化钠的用量进行对比试验,通过对不同的C;氢氧化钠=1、0.8、0.6、0.4、0.2进行试验并得出实验数据见下表4。2.4各浓度对金属氢氧化物含量的影响碱融过程所使用的氢氧化钠的浓度同样会影响试验结果。氢氧化钠的浓度大小将影响金属氢氧化物的含量,同时也会影响到水洗至中性是的用水量,下面就不同浓度的氢氧化钠(50%、40%、30%、20%、10%)进行试验,通过试验得出数据如下表5。2.5金属离子的过滤酸解过程是利用王水的强氧化性使在碱融过程中形成的金属氢氧化物沉淀和一些其他难溶物生成可溶性的金属离子而存在于水中,通过过滤除去,从而达到提纯的试验目的。酸解的时间不同将会影响试验结果,下面就不同的酸解时间(1.0h、1.5h、2.0h、2.5h、3.0h、3.5h、4.0h)进行试验,通过试验得出的王水酸解时间见表6。2.6石墨的用量比本法制备高纯石墨的最优条件:碱融时间为2.5h,碱融温度400℃,氢氧化钠的浓度为30%时用量比,石墨∶氢氧