堿酸法提純石墨試驗研究

張 著，劉振楠，胡 亮，姚金江

（湖南有色金屬研究院，湖南 長沙 410100）

石墨應具有良好的電熱傳導性、抗熱震性、耐高溫性、化學穩定性、耐腐蝕性、潤滑性、易于機械加工和可塑性等特點，廣泛應用于冶金、化工、機械、輕工、電子和航空等領域［1，2］。天然石墨根據其結晶程度不同，可分為鱗片石墨和隱晶石墨兩大類［3］，其鱗片石墨的價值高，儲量少，應用尤為廣泛［4］。

鱗片石墨提純的方法有化學法和高溫通氣法［5，6］，化學法即用強酸、強堿分別去除石墨中的金屬氧化物和非金屬氧化物雜質［7］，又分為堿酸法、氫氟酸法和氯化焙燒法等。本試驗研究對比加堿焙燒和不焙燒堿酸法對提純石墨的影響，探索了鱗片石墨堿酸法提純工藝條件。

1 試 驗

1.1 試驗原料

本研究采用的原料為天然鱗片石墨經浮選后的精礦，石墨精礦固定碳含量為89.69%、揮發份為3.68%、灰分為6.63%，主要雜質成分為硅、鐵、鋁、鎂和鈣等，主要成分見表1。

表1 石墨精礦主要成分 %

對石墨精礦的粒徑進行分析，粒徑分布如圖1所示，粒徑分布較廣，主要分布在0.5～10μm之間，D50為2.633μm，D90為6.286μm，粒度較細，所以提純前不再進行球磨。

圖1 石墨精礦粒徑分布

圖2 石墨精礦XRD圖

對石墨精礦物相進行分析，石墨精礦XRD圖如圖2所示，從圖2可知，石墨精礦XRD圖譜中出現了d值為0.337 1 nm、0.213 4 nm、0.205 6 nm、0.168 6 nm、0.122 9 nm石墨的特征衍射峰。出現d值為1.003 8 nm、0.450 2 nm、0.258 1 nm、0.150 3nm云母特征衍射峰及d值為0.426 9 nm石英特征衍射峰。由特征衍射峰可知，石墨精礦中除石墨外還含有云母和石英等雜質礦物［8］，化學提純過程主要考慮除去石墨中的云母和石英。

1.2 試驗主要儀器

試驗主要儀器有：激光粒度分析儀、恒溫干燥箱、分析天平、pH510型pH計、HZQ-C恒溫水浴鍋、JJ-1精密增力電動攪拌器、真空泵、抽濾瓶等。

1.3 試驗方法

1.3.1 不焙燒

將石墨精礦、燒堿或鹽酸加入至燒杯中，加入純凈水在設定條件下進行攪拌浸出，浸出漿料進行過濾，濾餅采用純凈水洗滌三次。濾餅在恒溫干燥箱中干燥后，按照GB／T 3521-2008中方法分析石墨中固定碳含量。

1.3.2 加堿焙燒

將石墨精礦與堿混合均勻，加入適量水，制成直徑0.5～1 cm的球，在恒溫干燥箱中烘干。然后在設定的溫度下焙燒，焙燒后焙砂磨細，加入純凈水在設定條件下進行攪拌浸出，浸出漿料進行過濾，濾餅采用純凈水洗滌三次。洗滌后濾餅加入鹽酸和純凈水在設定條件下進行攪拌浸出，浸出漿料進行過濾，濾餅采用純凈水洗滌三次，在恒溫干燥箱中干燥后，按照GB／T 3521-2008中方法分析石墨中固定碳含量。

2 試驗結果及討論

2.1 堿用量對石墨提純的影響

采用燒堿直接提純石墨，研究燒堿加入量（m燒堿／m石墨＝0.1、0.2、0.3、0.4、0.5）對石墨提純的影響，浸出溫度為90℃，浸出液固比為5∶1，浸出時間為2 h，試驗結果如圖3所示。

圖3 堿加入量對石墨提純的影響

由圖3試驗結果可知，隨著燒堿量的提高，提純后的石墨固定碳含量增加，主要原因為石墨中雜質SiO2和Al2O3與燒堿反應，溶于水相，使石墨中固定碳含量升高［6］。當m燒堿／m石墨為0.4時，石墨固定碳含量達到92.82%；繼續增加燒堿量，提純后石墨固定碳含量不再增加。

2.2 鹽酸用量對石墨提純的影響

采用鹽酸直接提純石墨，研究鹽酸加入量（m鹽酸／m石墨＝0.1、0.2、0.4、0.6、0.8）對石墨提純的影響，浸出溫度為90℃，浸出液固比為5∶1，浸出時間為2 h，試驗結果如圖4所示。

圖4 鹽酸加入量對石墨提純的影響

由圖4試驗結果可知，采用鹽酸直接提純石墨，隨著鹽酸加入量的增加，提純后石墨中固定碳含量增加，主要原因為石墨中可溶于鹽酸的鐵、鋁、鎂和鈣等雜質進入水相，提高石墨固定碳含量。當m鹽酸／m石墨為0.4時，提純后石墨固定碳含量增加緩慢。

2.3 焙燒溫度對堿酸法提純石墨的影響

研究加堿焙燒溫度（不焙燒、400℃、500℃、600℃、700℃）對堿酸法提純石墨的影響，焙燒堿加入量m燒堿／m石墨為0.4，焙燒時間為1 h，焙砂浸出溫度為90℃，浸出液固比為5∶1，浸出時間為2 h。浸出渣再采用鹽酸浸出，浸出條件為鹽酸加入量為m鹽酸／m石墨＝0.4，浸出溫度為90℃，浸出液固比為5∶1，浸出時間為2 h，試驗結果如圖5所示。

圖5 焙燒溫度對提純石墨的影響

由圖5試驗結果可知，不焙燒堿酸法提純石墨后固定碳含量為94.08%，焙燒溫度為400℃和500℃時，隨著焙燒溫度的增加，提純后石墨固定碳含量增加。在高溫條件下，石墨精礦中硅、鋁雜質與熔融的堿發生反應更徹底，生成可溶性鈉鹽［9］，提高石墨的純度。溫度為500℃時，提純后石墨固定碳含量為95.86%。當焙燒溫度超過500℃，提純后石墨固定碳含量反而降低，可能原因有兩種，其一為焙燒溫度過高，石墨被氧化，使得石墨中固定碳含量下降；其二為焙燒過程，氫氧化鈉與SiO2反應為放熱反應，提高溫度不利于反應徹底進行［10］。

2.4 焙燒時間對堿酸法提純石墨的影響

研究加堿焙燒時間（0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h）對堿酸法提純石墨的影響，焙燒堿加入量m燒堿／m石墨為0.4，焙燒溫度為500℃，焙砂浸出溫度為90℃，浸出液固比為5∶1，浸出時間為2 h。浸出渣再采用鹽酸浸出，浸出條件為鹽酸加入量為m鹽酸／m石墨＝0.4，浸出溫度為90℃，浸出液固比為5∶1，浸出時間為2 h，試驗結果如圖6所示。

圖6 焙燒時間對提純石墨的影響

由圖6試驗結果可知，焙燒時間由0.5 h增加至1 h，提純后石墨固定碳含量增加；當焙燒時間由1 h增加至2.5 h，提純后石墨固定碳含量反而減少，可能原因為焙燒時間過長，石墨被氧化，使得石墨中固定碳含量下降。

3 結 論

1.焙燒堿加入量m燒堿／m石墨為0.4，焙燒溫度為500℃，焙燒時間為1 h，焙砂浸出溫度為90℃，浸出液固比為5∶1，浸出時間為2 h。浸出渣再采用鹽酸浸出，浸出條件為鹽酸加入量為m鹽酸／m石墨＝0.4，浸出溫度為90℃，浸出液固比為5∶1，浸出時間為2 h，提純后石墨固定碳含量達到95.86%。

2.堿加入量m燒堿／m石墨為0.4，浸出溫度為90℃，浸出液固比為5∶1，浸出時間為2 h。浸出渣再采用鹽酸浸出，浸出條件為鹽酸加入量為m鹽酸／m石墨＝0.4，浸出溫度為90℃，浸出液固比為5∶1，浸出時間為2 h，不焙燒堿酸法提純石墨后固定碳含量為94.08%。

3.加堿焙燒堿酸法提純石墨效果優于不焙燒堿酸法。