胡 宇 彭偉軍 王承二 宋少先

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430070)

石墨是一種非常重要的非金屬礦物資源，具有良好的耐高溫、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、潤滑和化學(xué)穩(wěn)定等特性，廣泛應(yīng)用于耐火、機(jī)械、環(huán)保、冶金、化工、電子、醫(yī)藥、軍工和航空航天等領(lǐng)域［1-2］。近年來，隨著高定向熱解石墨、石墨烯材料、鋰離子電池負(fù)極材料球形石墨以及膨脹石墨、柔性石墨、氟化石墨烯等［3-4］石墨材料的研究和開發(fā)，高純石墨的用途越來越廣泛，需求量也日益增加。

目前，石墨提純方法主要有浮選法、堿酸法、HF法、氯化焙燒法、高溫法等。其中堿酸法、HF 法與氯化焙燒法屬于化學(xué)提純法，浮選法、高溫提純法屬于物理提純法［3-4］。浮選法成本低，但提純能力有限;氯化焙燒法對(duì)設(shè)備腐蝕性強(qiáng)，且氯氣有毒;高溫法一次性投資巨大，生產(chǎn)條件苛刻，產(chǎn)量小，成本高;酸堿法和HF 法因具有投資少、除雜效率高、能耗低和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)［5-7］。宜昌某鱗片石墨浮選精礦雜質(zhì)含量較高，為了獲得高品質(zhì)石墨精礦，采用酸浸工藝進(jìn)行提純工藝參數(shù)研究。

1 試樣、試劑及方法

1.1 試 樣

宜昌某鱗片石墨浮選精礦－200 目占83.27%，試樣的XRD 圖譜見圖1，XRF 分析結(jié)果見表1。

由圖1 可知，試樣主要礦物為石墨，其次是石英、高嶺石和伊利石。石英、高嶺石和伊利石等是提純?cè)囼?yàn)要去除的主要成分。

表1 試樣的XRF 分析結(jié)果Table 1 XRF analysis results of the sample

由表1 可知，試樣含碳93.72%，SiO2、Al2O3等含量均不高。

1.2 試驗(yàn)試劑

HF、HCl、HNO3、H2SO4均為分析純，濃度分別為22.8、10、10、10 mol/L;試驗(yàn)所用水為去離子水。

1.3 試驗(yàn)原理及方法

由于試樣的主要雜質(zhì)成分為石英、高嶺石等硅酸鹽礦物，HF 可與之反應(yīng)生成氟硅酸或氟硅酸鹽，而金屬氧化物與酸反應(yīng)可生成可溶性金屬鹽，經(jīng)過固液分離，可獲得高純度的石墨［8-10］。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 酸浸條件試驗(yàn)

2.1.1 混合酸中HF 以外其他酸的種類試驗(yàn)

混合酸中HF 以外其他酸種類試驗(yàn)固定其他酸與HF 的物質(zhì)的量之比為4∶ 1，混合酸與石墨體積質(zhì)量比為3∶ 1，酸浸時(shí)間為4 h，酸浸溫度為60 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 混合酸中HF 以外其他酸的種類試驗(yàn)Fig.2 Test results of mixed acids on various acid except HF

由圖2 可知，HF 分別與相同摩爾濃度的HCl、HNO3、H2SO4混合酸浸石墨，HCl 與HF 混合可以獲得純度最高的石墨精礦。因此，選取HCl 與HF 混合酸浸石墨。

2.1.2 HF 與HCl 物質(zhì)的量之比試驗(yàn)

HF 與HCl 物質(zhì)的量之比試驗(yàn)固定混合酸與石墨體積質(zhì)量比為3∶ 1，酸浸時(shí)間為4 h，酸浸溫度為60 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖3 可知，隨著HF 與HCl 物質(zhì)的量之比下降，石墨精礦的灰分含量下降。因此，混合酸中HF與HCl 的物質(zhì)的量之比為1∶ 4。

圖3 HF 與HCl 物質(zhì)的量之比試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test results on mole ratio of HF to HCl

2.1.3 混合酸與石墨的體積質(zhì)量比試驗(yàn)

混合酸與石墨的體積質(zhì)量比試驗(yàn)固定HF 與HCl 的物質(zhì)的量之比為1∶ 4，酸浸時(shí)間為4 h，酸浸溫度為60 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 混合酸與石墨的體積質(zhì)量比試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results on mass ratio of mixed acids to graphite

由圖4 可知，隨著混合酸和石墨體積質(zhì)量比增大，石墨精礦的灰分含量顯著下降。因此，確定混合酸和石墨的體積質(zhì)量比為3∶ 1。

2.1.4 酸浸溫度試驗(yàn)

酸浸溫度試驗(yàn)固定HF 與HCl 的物質(zhì)的量之比為1∶ 4，混合酸和石墨體積質(zhì)量比為3∶ 1，酸浸時(shí)間為4 h，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 酸浸溫度試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test results at different acid leaching temperature

由圖5 可知，隨著酸浸溫度的升高，石墨精礦灰分含量先下降后上升，低點(diǎn)在40 ℃。因此，選取反應(yīng)溫度為40 ℃。

2.1.5 酸浸時(shí)間試驗(yàn)

酸浸時(shí)間試驗(yàn)固定HF 與HCl 的物質(zhì)的量之比為1∶ 4，混合酸和石墨體積質(zhì)量比為3∶ 1，酸浸溫度為40 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 酸浸時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test results for different leaching time

由圖6 可知，隨著酸浸時(shí)間的延長，石墨精礦灰分含量先急劇下降后緩慢上升，低點(diǎn)在6 h 時(shí)，對(duì)應(yīng)的灰分含量為0.9%，即固定碳含量為99.1%。因此，確定酸浸時(shí)間為6 h。

2.2 石墨精礦分析

石墨精礦的XRD 圖譜見圖7，SEM 圖片見圖8。

圖7 石墨精礦XRD 圖譜Fig.7 XRD pattern of graphite concentrate

圖8 石墨精礦的SEM 照片F(xiàn)ig.8 SEM pattern of graphite concentrate

由圖7 可知，石墨精礦中未見石英、高嶺石和伊利石等的衍射峰，表明這些成分被酸溶解較徹底，而僅保留了石墨的晶體。

由圖8 可看出，石墨鱗片表面光滑，無黏附物，結(jié)晶程度較好。

3 結(jié) 論

(1)宜昌某鱗片石墨浮選精礦碳含量達(dá)93.72%，－200 目占83.27%，主要雜質(zhì)成分為石英、高嶺石和伊利石。

(2)采用混合酸酸浸工藝提純?cè)撛嚇?，在HF 與HCl 的物質(zhì)的量之比為1∶ 4，混合酸和石墨體積質(zhì)量比為3∶ 1，酸浸溫度為40 ℃，酸浸時(shí)間為6 h 情況下，可獲得固定碳含量為99.1%的高純石墨精礦。

(3)石墨精礦的XRD 和SEM 分析表明，酸浸工藝可高效地溶出試樣中的雜質(zhì)，且不破壞石墨成分和結(jié)構(gòu)。因此，酸浸是獲取高品質(zhì)石墨的重要手段。

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