炭素の同素体であるグラファイトは、その独特な結晶構造により多くの特別な特性を持っています。黒鉛結晶は六方晶系に属し、層状に配置されています。各層では炭素原子が独特の配置で結合しており、同一平面上に6個の炭素原子が正六角形の環を形成し、各炭素原子は隣接する3個の炭素原子に囲まれています。炭素原子面に垂直な 2 つの 2p 電子は、ハイブリッド形成には関与せず、結晶格子内を自由に移動でき、重なり合って π 結合を形成するため、グラファイトに良好な電気伝導性と熱伝導性を与えます。
グラファイトは優れた導体であり、優れた熱伝導性だけでなく、優れた電気伝導性も備えています。同時に、高い常用剛性と強度を示し、3600 度を超える高温環境下でも堅牢で安定した特性を維持します。-グラファイトは、優れた潤滑特性、化学的不活性性、耐食性でも高く評価されており、多くの分野で広く応用されています[3]。
天然黒鉛のさまざまな結晶形に基づいて、工業的には結晶性黒鉛とアファナイト（非晶質）黒鉛に分類できます。このうち結晶性の良い結晶性黒鉛は、さらに塊状黒鉛（塊状結晶性黒鉛）と鱗片状黒鉛に分類できます。
フレークグラファイトは通常、個々の結晶として、または薄いシートやフレークの形で平行な結晶連晶として発生します。その結晶形は通常よく発達しており、結晶粒径が一般に 1 μm を超える凝集体として存在することがよくあります。-。天然に採掘される片状黒鉛鉱石は品位が比較的低いものの、他の黒鉛に比べて浮遊性、潤滑性、可塑性に優れており、一般的に経済的価値が高いです。塊状黒鉛の炭素含有量は通常 60% ～ 65% 程度で、80% 以上に達するものもありますが、可塑性や潤滑性は片状黒鉛に比べて劣ります。
結晶化度が低いため、アファナイト系グラファイトの結晶形態は電子顕微鏡でしか見ることができず、肉眼では素朴に見えます。したがって、土状、非晶質、または微結晶性グラファイトとしても知られています。アファナイト系黒鉛は光沢が比較的低く、その潤滑性は鱗片状黒鉛には及びません。ただし、そのグレードは一般に高く、90% を超えるものもあります [4]。
2. 黒鉛の用途
天然黒鉛は優れた物理化学的特性を有しており、幅広い用途に使用されています。冶金、潤滑、シーリング、原子力、エネルギー貯蔵などの多くの産業において、かけがえのない重要な役割を果たしています。
冶金産業では、天然黒鉛は耐火物および鋳物用途の中核原料です。グラファイト電極は、その優れた導電性と高温耐性を利用して、電気炉製鋼の重要なコンポーネントとして機能し、高温の製錬条件に確実に適応します。-同時に、黒鉛-ベースの耐火材料は、信頼性の高い耐高温性と耐浸食性を備えており、鋼鉄、非鉄金属精錬、およびさまざまな高温冶金炉のライニング構造として広く使用されており、冶金産業にとって不可欠な基礎材料となっています[5]。
潤滑の分野では、自動車、船舶、航空機、工作機械などに使用される潤滑油は現代の生活に欠かせないものです。高温などの特定の特殊な条件下では、潤滑油の性能が著しく低下し、潤滑性が不十分になることがよくあります。黒鉛層間の結合力が弱く、外力が加わると滑りやすくなります。したがって、グラファイトは優れた潤滑特性を示し、理想的な固体潤滑剤です。さらに、グラファイト-ベースの潤滑剤はその高い耐熱性により、高温などの極端な環境でも効果的に機能し、良好な結果を達成できます[6]。
シーリング分野では、グラファイト シーリング材はその優れた耐食性、高温耐性、構造安定性により、化学工学、機械、エレクトロニクスなどの業界で広く使用されています。{0}}天然黒鉛は、その独自の層状構造と優れたシール特性に基づいて、さまざまな機械装置のシール条件に効果的に適応し、複雑で過酷な環境でも安定した性能を維持し、シール部品の耐用年数を大幅に延長します[5]。さらに、多孔質で表面エネルギーの高い膨張黒鉛を圧縮すると、柔軟なグラファイト シートを製造できます。-高温耐性、耐食性、化学的安定性、および一定の機械的強度により、これらのシートは特殊な条件下でも効果的に機能し、柔軟なグラファイトは「シーリングの王様」という評判を獲得しています[6]。
原子力エネルギー分野では、高純度の天然黒鉛が原子炉内で中性子減速材を製造するための中核原料となります。{0}その優れた中性子減速性能と高温構造安定性により、原子力発電所や原子力研究施設の重要な材料となっています。-特定の種類の原子炉では、天然黒鉛は構造材料としても機能し、その優れた機械的強度、耐放射線性、高温耐性を利用して、高温と強い放射線の極限条件下でも容易に変形したり故障したりすることなく、長期間安定した稼働を維持することができ、原子力機器の安全な動作を保証します[5]。
エネルギー貯蔵分野では、新エネルギー産業の急速な発展に伴い、天然黒鉛の市場需要は拡大し続けています。リチウム電池産業の急速な成長により、アノード材料に対する市場の需要が大幅に高まり、その独特の電気化学的特性を持つ天然黒鉛は、リチウム電池アノードの製造に好ましい原料となっています。現在、新エネルギー車、移動体通信基地局、マイクログリッドなどの多くの分野が中核電源としてリチウム電池に依存しており、黒鉛リチウム電池負極材料は将来の新エネルギー市場においても強力な業界競争力を持ち続けることが確実となっている[7]。
3. 黒鉛の精製方法
現在、天然黒鉛の精製方法は物理的方法と化学的方法に分類できます。その中で、物理的精製方法には主に浮選法と高温法が含まれます。-化学的精製方法としては、アルカリ{{2}酸法、フッ酸法、塩素焙焼法などがあります。
3.1 浮選法
浮遊選鉱法は、表面の物理的および化学的特性の違いに基づいて水性懸濁液から固体鉱物を分離する鉱物処理プロセスです。グラファイトの表面は水に濡れにくいため、浮遊性が良く、不純物との分離が容易なため、浮遊選鉱による精製に適しています [8]。
浮遊選鉱法の全体的なプロセス フローには、主に、粉砕、浮遊選別、中間物の再循環という 3 つの主要なステップが含まれます。まず、原料の天然黒鉛鉱石を粉砕して粉砕します。機械的粉砕により、脈石不純物からグラファイトモノマーを予備的に遊離させ、その後の分離操作の基礎を築きます。粉砕後、黒鉛パルプを混合し、特定の化学試薬に浸します。試薬の修飾によりグラファイトの表面張力の差が最適化され、グラファイトと不純物鉱物の間の浮遊性ギャップが広がり、不純物を効率的に除去するための条件が作成されます。続いて、粗引き、掃気、洗浄の複数の段階を含む浮選プロセスを組み合わせてパルプから不純物成分を徐々に除去し、黒鉛精鉱の純度を効果的に高めます。浮選プロセス中に、グラファイトの浮遊性をさらに改善し、分離効率を高めるために、適切な浮選試薬が添加されます。一般的に使用される産業用コレクターには、ディーゼル油、灯油、松油などが含まれます [9]。
浮遊選鉱法は、黒鉛精製の最初のステップとして、主に低炭素で大きな-片状黒鉛の前処理に適用されます。このプロセスは、成熟した技術システム、シンプルなサポート装置、低い全体的なエネルギー消費、および制御可能な生産コストを備えており、大きな経済的利点をもたらします。これは、産業用途におけるコスト効率の高い黒鉛粗精製技術です。-ただし、浮選法には顕著な制限があり、微結晶黒鉛の効率的な精製には適していません。微結晶黒鉛は結晶性黒鉛に比べて全体的な不純物含有量が低いのが一般的ですが、その独特な不純物の発生状態により浮選不純物の除去効果が大きく制限されます。微結晶性グラファイト粒子は非常に細かく、脈石鉱物と密接に関連しており、粘土鉱物の中に埋め込まれていることがよくあります。粉砕中に不純物からグラファイトモノマーを十分に遊離させることは困難であり、浮選分離効率の大幅な低下につながります。結局のところ、高純度の黒鉛精鉱を入手することは困難であり、ハイエンドの産業用途の要件を満たすことができません。{10}{11}}要約すると、黒鉛浮遊選鉱プロセスは一次精製方法としてのみ機能し、主に原料黒鉛鉱石から容易に分離できる不純物のほとんどを除去するために使用され、その後の深層精製プロセスでの試薬消費とエネルギー損失を効果的に削減し、さらなる精製のための高品質の原料ベースを提供します[10-11]。
3.2 高温法-
高温法では、黒鉛（高融点）と不純物（低沸点）の沸点の差を利用します。不活性雰囲気の保護下で、温度は適切な範囲内に制御され、金属酸化物やケイ酸塩などの沸点の低い不純物が最初に蒸発して排出されますが、融点の高い炭素は固体の形で残り、深い分離と精製が達成されます [12]。
高温法で使用される原料は通常、浮選精製後に得られる黒鉛精鉱、または化学精製後に得られる高炭素黒鉛であり、炭素含有量は一般に 95% ～ 99% の範囲です [13]。この方法では、約 99.995% のグラファイト純度を達成できます。黒鉛構造を破壊することなく黒鉛格子に埋め込まれた不純物を効果的に除去し、製品の品質を効率的に向上させることができますが、多くの場合、防衛、原子力産業、航空宇宙などのハイエンド技術分野にしか適用できません。{8}}これは、この方法の欠点が大きいためです。この方法には、要求の厳しい設備、高いエネルギー消費が必要で、多額の投資と運用コストがかかるため、大規模な生産や主にハイエンドのグラファイト製品の供給には不利です。-[12]。
3.3 アルカリ-酸法
アルカリ-酸法は、工業の流れに沿って-アルカリ溶融と酸浸出-という 2 つのプロセスから構成され、天然黒鉛を精製するのに比較的効果的な方法です。アルカリ溶融法：黒鉛の酸やアルカリに対する耐性を利用し、黒鉛とアルカリを一定の割合で均一に混合し、高温で焼成します。溶融状態では、アルミノケイ酸塩、石英、グラファイト中のケイ酸塩などの不純物がアルカリと化学反応して、酸-可溶性または水-可溶性ケイ酸塩を形成し、その後水洗によって除去されます。酸浸出プロセス: アルカリ-溶融黒鉛と水酸化物は、特定の濃度の塩酸溶液による熱浸出にさらされ、金属酸化物が可溶性の塩に変換されます。最後に、洗浄、脱水などの工程を経て、精製された黒鉛が得られます。
現在、アルカリ酸法は、中国の高純度黒鉛メーカーで一般的に採用されている精製方法です。{{1}その最大の利点は、低い初期投資、シンプルな反応装置、高い汎用性、良好なプロセス適応性、および得られる生成物の比較的高い純度と品位が挙げられます。欠点は、高温での焼成の必要性、エネルギーと装置の大幅な摩耗、比較的低い精製効率、貴重なミネラルの大幅な損失、および環境汚染の可能性である[14]。
3.4 フッ酸法
フッ化水素酸 (HF) は、グラファイト内のほとんどの不純物と反応する可能性がある強酸です。しかし、グラファイトは通常、室温で優れた耐酸性を持ち、特にフッ化水素酸と反応しないという点で化学的に安定しています。黒鉛をフッ化水素酸に浸漬し、時間をかけて反応させ、その後洗浄して濾過すると、比較的高純度の黒鉛が残ります。-
フッ化水素酸法を使用した精製では、黒鉛からほとんどの不純物を除去でき、低コストで高純度の黒鉛が得られます。{0}これは、グラファイトを精製するためのより簡単で効果的な方法の 1 つです。しかし、フッ化水素酸は毒性が高く、製造プロセス中に重大な安全上の問題を引き起こすため、工業生産における広範な採用と応用が妨げられています[15]。
3.5 塩素化焙煎法
塩素化焙焼法とは、黒鉛に還元剤（塩素ガス、四塩化炭素）を一定量添加し、特定の雰囲気下で高温で焙焼する方法です。酸化物不純物は塩素化反応で塩素ガスと反応し、塩化物に変換されます。グラファイト中のケイ酸塩、アルミノケイ酸塩、石英などの不純物は、高温加熱下で二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化鉄、酸化カルシウムなどの酸化物に分解します。-。これらの塩化物の沸点は比較的低いため、高温での焙煎プロセス中に蒸発して逃がし、それによって不純物の除去と精製が達成されます。-
塩素化焙焼法は、塩素などの還元性ガスを加えて不純物を塩化物に変換することで不純物を除去します。この方法は高い精製効率と優れた回収率を実現します。しかし、塩素ガスは環境に有害な危険ガスであり、プロセスが不安定であるという特徴があり、その開発が制限されています[16]。