Спосіб отримання графіту високої чистоти

Власники патенту UA 2427531:

Винахід відноситься до технології термічного очищення графіту або виробів на його основі і може використовуватися в атомній енергетиці, для синтезу штучних алмазів, напівпровідникової техніки, для потреб хімічної промисловості, у виробництві електрохімічних джерел струму. Суміш порошку графіту та вуглецевої засипки нагрівають у печі при 2500-3000°С. Вуглецеве засипання містить наступні компоненти, мас.%: терморозширений графіт - 2-15, технічний вуглець - інше. Як терморозширений графіт використовують подрібнені відходи виробництва гнучкої графітової фольги. Термічно очищений графіт витягають із охолодженої печі. Винахід дозволяє отримати високочистий графіт із високим виходом без використання дорогих реагентів. 3 з.п. ф-ли, 1 табл.

Всі відомі методи очищення графіту можна віднести до трьох видів - хімічного очищення, термічного та газотермічного рафінування.

Хімічна очистка розкривається в патенті UA 2141449, відповідно до якого спосіб очищення природного графіту передбачає спікання порошку графіту з водним розчином лужного агента, подальшу промивання водою і розведеною кислотою протиточним пульсуючим потоком промивного розчину, що подається/ год, і частотою пульсації 25-35 імпульсів за хвилину при його питомій витраті 5 л/кг графіту та сушіння.

Третій шлях – термічна очистка графіту є найпоширенішим. Такаочищення, як правило, здійснюється у печах Ачесона. У найпростішому випадку на під печі засипають керн з порошку графіту, що потребує очищення. Графітовий керн засипають теплоізолюючою засипкою, до графітового керна підводять електрику за допомогою вугільних електродів і здійснюють розігрів графіту до температур 2500-2700°С, потім піч охолоджують, здійснюють вивантаження теплоізоляції і частини керна, потім вивантажують залишився . до SU 876551). Даний спосіб є найближчим аналогом (прототипом) винаходу.

До недоліків прототипу відноситься те, що при проведенні очищення графіту відомим способом досягається дуже низький рівень виходу графіту з чистотою 99,99%.

Завданням винаходу є отримання високочистого графіту з високим виходом без використання дорогих реагентів.

Поставлене завдання вирішується способом термічного очищення графіту у вуглецевому засипці, що включає нагрівання порошку графіту шляхом прямого пропускання електричного струму, відповідно до якого додають засипку до 15 мас.% терморасширенного графіту.

У приватних втіленнях винаходу поставлене завдання вирішується тим, що термічне очищення проводять у засипці, що містить, мас.%:

Терморозширений графіт	2-15
Технічний вуглець	інше.

Бажано термічне очищення графіту проводити за 2500-3000°С.

Для додаткового здешевлення виробництва доцільно як терморозширений графіт використовувати подрібнені відходи виробництва гнучкої графітової фольги.

Сутність винаходу полягає у наступному.

Термічна очистка графіту здійснюється у високотемпературних печах при високих температурах (до3000°С) з використанням теплоізолюючих засипок.

Для підвищення ефективності роботи печей та виходу високочистого графіту необхідно використовувати низькотеплопровідні засипки.

Технологічна роль засипки в першу чергу полягає в теплозахисту (ізоляції графіту) та зниженні тепловтрат. На сьогоднішній день найчастіше як засипання використовують сажу (технічний вуглець, наприклад, марки Т-900) та ін. Цей матеріал має питому поверхню до 12-16 м 2 /р. Технічний вуглець - це малоактивний вуглець, що отримується термічним розкладанням природного газу, з низькими показниками дисперсності та структурності. Технічний вуглець має «параграфітову структуру», що складається з різних видів вуглецю: від двовимірних поліциклічних утворень до великих графітоподібних кристалів щільністю 1,76-1,95 г/см 3 , середній діаметр 10-50 нм.

Введення в таку засипку до 15 мас.% терморозширеного графіту (ТРГ) суттєво зменшує втрати тепла при очищенні пенографіту, насамперед внаслідок того, що ТРГ є ефективним тепловим екраном. ТРГ має пористу структуру (пористість до 90%) і низьку теплопровідність на рівні 1-5 Вт/мК. ТРГ має структуру графіту, його рентгенівська щільність становить 2,24 г/см 3 але насипна щільність пінографіту становить 2-10 г/л, а питома поверхня пінографіту становить 20-150 м 2 /р.

Додавання ТРГ у кількості до 15 мас.% теплоізолюючу засипку істотно знижує тепловтрати. Це зниження тепловтрат починається з додавання самих незначних кількостей ТРГ, так ефект зниження тепловтрат спостерігався при введенні в засипку менше 0,5 мас.% ТРГ з насипною щільністю 2 г/л.

Введення більше 15 мас.% призводить до появи перколяційного ефекту та стрибкоподібногозростанню електро- та теплопровідності матеріалу.

Оптимальний ефект досягається при введенні 2-15 мас.% ТРГ.

Крім того, розвинена поверхня ТРГ дозволяє адсорбувати домішки, що виділяються, підвищити ступеня поглинання летких сполук і помітно знизити вигоряння як графіту, так і вуглецевої засипки.

Доцільно використовувати відходи виробництва фольги з ТРГ, що, з одного боку, здешевлює виробництво високочистого графіту, а, з іншого боку, - спрощує його технологію, оскільки ТРГ у вигляді подрібнених відходів набагато легше ввести у вуглецеве засипання, ніж ТРГ у вигляді графітового «пуху ».

Все це разом збільшує ефективність проведення випалу графіту для отримання графіту високого ступеня чистоти.

Технологія виробництва високочистого графіту на основі високотемпературної обробки забезпечує високу (необхідну) чистоту продукту без використання дорогих реагентів.

Приклад здійснення способу.

Графіт природний із зольністю 4 мас.% масою 2000 кг завантажували в піч Ачесона. Кількість засипки, що витрачається, становила 920 кг. До складу засипки входив технічний вуглець марки Т-900 та подрібнені відходи графітової фольги ГРАФЛЕКС®. Далі здійснювали нагрівання печі, витримку при температурі графітації 2800-2900°З доби. Витрата електроенергії на нагрівання та витримку становила 16000 кВт/год.

Далі відбувалося охолодження печі (10-12 діб) та її розвантаження.

У таблиці наведено дані щодо втрат графіту та виходу високочистого графіту з чистотою не менше 99,99% залежно від кількості ТРГ у засипці.

Як випливає з наведених даних, втрати графіту становлять 18-21% проти 20-30% у відомому способі, а маса високочистого графіту із зольністю до 0,01% становить 50-61 проти30-49% у відомому способі.

Отриманий відповідно до винаходу продукт - високочистий природний графіт на основі природного кристалічного графіту - характеризується високою чистотою до 99.99%, високим ступенем кристалічності. При цьому графіт зберігає всі властивості, властиві шаруватої графітової структури: анізотропія властивостей електро- та теплофізичних та ін.

1. Спосіб термічного очищення графіту в вуглецевому засипці, що включає нагрівання порошку графіту шляхом прямого пропускання електричного струму, який відрізняється тим, що додають засипку до 15 мас.% терморасширенного графіту.

2. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що термічне очищення проводять у вуглецевому засипці, що містить технічний вуглець і терморозширений графіт при наступному співвідношенні компонентів, мас.%:

Терморозширений графіт	2-15
Технічний вуглець	інше

3. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що термічну очистку проводять при 2500-3000°С.

4. Спосіб за п.1, який відрізняється тим, що як терморозширений графіт використовують подрібнені відходи виробництва гнучкої графітової фольги.