Способ получения графита высокой чистоты
Владельцы патента RU 2427531:
Институт новых углеродных материалов и технологий (Закрытое акционерное общество), (ИНУМиТ(ЗАО)) (RU)
Изобретение относится к технологии термической очистки графита или изделий на его основе и может использоваться в атомной энергетике, для синтеза искусственных алмазов, в полупроводниковой технике, для нужд химической промышленности, в производстве электрохимических источников тока. Смесь порошка графита и углеродной засыпки нагревают в печи при 2500-3000°С. Углеродная засыпка содержит следующие компоненты, мас.%: терморасширенный графит - 2-15, технический углерод - остальное. В качестве терморасширенного графита используют дробленые отходы производства гибкой графитовой фольги. Термически очищенный графит извлекают из охлажденной печи. Изобретение позволяет получить высокочистый графит с высоким выходом без использования дорогостоящих реагентов. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к технологии термической очистки графита или изделий на его основе и может использоваться в атомной энергетике, для синтеза искусственных алмазов, в полупроводниковой технике, для нужд химической промышленности, в производстве электрохимических источников тока и др.
Все известные методы очистки графита можно отнести к трем видам - химической очистке, термическому и газотермическому рафинированию.
Газотермическая очистка может быть проиллюстрирована технологией, раскрытой в авторском свидетельстве SU 394303, которая включает нагрев графита в среде инертного газа, затем в смеси инертного газа с галоидсодержащим газом и последующее охлаждение в вакууме.
Химическая очистка раскрывается в патенте RU 2141449, в соответствии с которым способ очистки природного графита предусматривает спекание порошка графита с водным раствором щелочного агента, последующую промывку водой и разбавленной кислотой противоточным пульсирующим потоком промывного раствора, подаваемого со скоростью 1,7-3,0 м/ч, и частотой пульсации 25-35 импульсов в минуту при его удельном расходе 5 л/кг графита и сушку.
Третий путь - термическая очистка графита является самым распространенным. Такая очистка, как правило, осуществляется в печах Ачесона. В самом простом случае на под печи засыпают керн из порошка графита, нуждающегося в очистке. Графитовый керн засыпают теплоизолирующей засыпкой, к графитовому керну подводят электричество посредством угольных электродов и осуществляют разогрев графита до температур 2500-2700°С, затем печь охлаждают, осуществляют выгрузку теплоизоляции и части керна, затем выгружают оставшийся керн, представляющий собой очищенный графит (см. описание к SU 876551). Данный способ является наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения.
К недостаткам прототипа относится то, что при проведении очистки графита известным способом достигается очень низкая степень выхода графита с чистотой 99,99%.
Задачей изобретения является получение высокочистого графита с высоким выходом без использования дорогостоящих реагентов.
Поставленная задача решается способом термической очистки графита в углеродной засыпке, включающим нагрев порошка графита путем прямого пропускания электрического тока, в соответствии с которым в засыпку добавляют до 15 мас.% терморасширенного графита.
В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается тем, что термическую очистку проводят в засыпке, содержащей, в мас.%:
| Терморасширенный графит | 2-15 |
| Технический углерод | остальное. |
Желательно термическую очистку графита проводить при 2500-3000°С.
Для дополнительного удешевления производства целесообразно в качестве терморасширенного графита использовать дробленые отходы производства гибкой графитовой фольги.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Термическая очистка графита осуществляется в высокотемпературных печах при высоких температурах (до 3000°С) с использованием теплоизолирующих засыпок.
Для увеличения эффективности работы печей и выхода высокочистого графита необходимо использовать низкотеплопроводные засыпки.
Технологическая роль засыпки в первую очередь заключается в теплозащите (изоляции графита) и снижении теплопотерь. На сегодняшний день чаще всего в качестве засыпки используют сажу (технический углерод, например, марки Т-900) и др. Данный материал имеет удельную поверхность до 12-16 м2/г. Технический углерод - это малоактивный углерод, получаемый термическим разложением природного газа, с низкими показателями дисперсности и структурности. Технический углерод имеет «параграфитовую структуру», состоящую из разных видов углерода: от двумерных полициклических образований до относительно крупных графитоподобных кристаллов плотностью 1,76-1,95 г/см3, средний диаметр 10-50 нм.
Введение в такую засыпку до 15 мас.% терморасширенного графита (ТРГ) существенно уменьшает теплопотери при очистке пенографита, прежде всего вследствие того, что ТРГ является эффективным тепловым экраном. ТРГ имеет пористую структуру (пористость до 90%) и соответственно низкую теплопроводность на уровне 1-5 Вт/мК. ТРГ имеет структуру графита, его рентгеновская плотность составляет 2,24 г/см3, но насыпная плотность пенографита составляет 2-10 г/л, а удельная поверхность пенографита составляет 20-150 м2/г.
Добавление ТРГ в количестве до 15 мас.% в теплоизолирующую засыпку существенно снижает теплопотери. Это снижение теплопотерь начинается с добавления самых незначительных количеств ТРГ, так эффект снижения теплопотерь наблюдался при введении в засыпку менее 0,5 мас.% ТРГ с насыпной плотностью 2 г/л.
Введение более 15 мас.% приводит к появлению перколяционного эффекта и скачкообразному возрастанию электро- и теплопроводности материала.
Оптимальный эффект достигается при введении 2-15 мас.% ТРГ.
Кроме того, развитая поверхность ТРГ позволяет адсорбировать выделяющиеся примеси, повысить степени поглощения летучих соединений и заметно снизить выгорание как графита, так и углеродной засыпки.
Целесообразно использовать отходы производства фольги из ТРГ, что, с одной стороны, удешевляет производство высокочистого графита, а, с другой стороны, - упрощает его технологию, поскольку ТРГ в виде дробленых отходов гораздо легче ввести в углеродную засыпку, чем ТРГ в виде графитового «пуха».
Все это в совокупности увеличивает эффективность проведения обжига графита для получения графита высокой степени чистоты.
Технология производства высокочистого графита на основе высокотемпературной обработки обеспечивает высокую (требуемую) чистоту продукта без использования дорогостоящих реагентов.
Пример осуществления способа.
Графит природный с зольностью 4 мас.% массой 2000 кг загружали в печь Ачесона. Количество расходуемой засыпки составляло 920 кг. В состав засыпки входил технический углерод марки Т-900 и дробленые отходы графитовой фольги ГРАФЛЕКС®. Далее осуществляли нагрев печи, выдержку при температуре графитации 2800-2900°С около суток. Расход электроэнергии на нагрев и выдержку составлял 16000 кВт/ч.
Далее происходило охлаждение печи (10-12 суток) и ее разгрузка.
В таблице приведены данные по потерям графита и выходу высокочистого графита с чистотой не менее 99,99% в зависимости от количества ТРГ в засыпке.
Как следует из приведенных данных, потери графита составляют 18-21% против 20-30% в известном способе, а масса высокочистого графита с зольностью до 0,01% составляет 50-61 против 30-49% в известном способе.
Получаемый в соответствии с изобретением продукт - высокочистый природный графит на основе природного кристаллического графита - характеризуется высокой чистотой до 99.99%, высокой степенью кристалличности. При этом графит сохраняет все свойства, присущие слоистой графитовой структуре: анизотропия свойств электро- и теплофизических и др.
| Таблица | |||||
| № п/п | -Δm,% потеря образца при термообра-ботке | m,% C выход графита с содержанием С 99.99% | Состав засыпки | Количество ТРГ (дробленки) | Насыпная плотность ТРГ, г/л |
| 1 | 20 | 42 | Т-900 | 0 | - |
| 2 | 30 | 48 | Т-900 | 0 | - |
| 3 | 23 | 49 | Т-900 | 0 | - |
| 4 | 20 | 30 | Т-900 | 0 | - |
| 5 | 18 | 55 | Т-900+ТРГ | 5 | 5 |
| 6 | 14 | 61 | Т-900+ТРГ | 15 | 3 |
| 7 | 16 | 50 | Т-900+ТРГ | 10 | 8 |
| 8 | 19 | 49 | Т-900+ТРГ | 8 | 10 |
| 9 | 21 | 50 | Т-900+ТРГ | 2 | 6 |
1. Способ термической очистки графита в углеродной засыпке, включающий нагрев порошка графита путем прямого пропускания электрического тока, отличающийся тем, что в засыпку добавляют до 15 мас.% терморасширенного графита.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическую очистку проводят в углеродной засыпке, содержащей технический углерод и терморасширенный графит при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Терморасширенный графит | 2-15 |
| Технический углерод | остальное |
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическую очистку проводят при 2500-3000°С.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве терморасширенного графита используют дробленые отходы производства гибкой графитовой фольги.
