高纯石墨的制备—从物理到化学方法的探索

石墨是战略性稀缺资源，制备高纯石墨是石墨应用的前提和基础。石墨是一种主要由电子经sp²杂化形成共价键结合的碳原子层通过层间电子形成π键结合的非金属矿物，广泛分布于自然界的变质岩和火成岩之中。石墨具有较好的导热以及导电性能，可以耐受高低温，抗化学腐蚀。

目前，石墨提纯常用的方法可分为物理提纯 法和化学提纯法，其中，物理提纯法主要包括浮选法、 高温法；而化学提纯法包括碱酸法、氢氟酸法和氯化焙烧法。

物理提纯法

浮选法

天然石墨矿不易被水浸润，可浮性好，采用浮选法对其进行提纯，获得的石墨固定碳质量分数可达到 95.00%，但 很难达到 99.00% 以上，且回收率低，所以通常情况只 把浮选法作为石墨提纯的第一步，想要获得高纯石 墨，还需要进一步利用其他方法提纯。

高温法

高温法利用石墨的熔点远高于其所含杂质的沸 点这一特性，将石墨加热到 2 500 ℃ 左右，杂质气化 从而使石墨纯度提高，高温法能获得固定碳质量分 数高达 99.99% 的高纯石墨。但由于高温下石墨会与 氧气反应，所以，反应需在真空环境或无氧环境中进 行，并且对设备的耐高温性能要求较高，专门设计建 造高温炉成本昂贵、投资巨大。高额的电费也使高 温法的应用范围极为有限，只有对石墨质量要求非 常高的特殊行业才采用高温法小批量生产高纯石墨。

化学提纯法

氢氟酸法

石墨的稳定性好，对氢氟酸耐性极强，而且氢氟 酸几乎可以溶解大部分硅酸盐，所以可以采用氢氟酸除去石墨中的硅、铁、钙、镁等元素。采用氢氟酸法提纯石墨，首先将石墨与氢氟酸混合，石墨中的杂质与氢氟酸反应生成可溶性物质或沉淀，经过洗涤、 烘干，即得到提纯后的石墨。硅和铝等化合物与氢 氟酸反应生成可溶性物质，而 CaO、MgO、Fe2O3 等杂 质与 HF 反应会生成沉淀，因此，需要加入适量的盐 酸、硝酸、氢氟酸将沉淀去除。

氢氟酸法提纯石墨的能耗低，工艺流程简单，提纯效 率高，得到的石墨固定碳含量高，对石墨产品的性能 影响小。但是氢氟酸有剧毒和强腐蚀性，对安全保 护措施、设备要求和生产条件要求严格。而且废水不易处理，环保成本高。

碱酸法

碱酸法对石墨原料要求低、工艺简单、可操作 性强、成本较低，与氢氟酸法相比环境污染小，而且 对生产设备和生产条件要求低，具有一次性投资少 及适应性强等特点，也是目前应用最广、研究最多 的石墨提纯方法。该方法存在生产过程需要高温熔 融、设备腐蚀严重、反应时间长等缺点。

氯化焙烧法

氯化焙烧法是在石墨中添加一定量的还原剂， 将石墨中杂质分解为金属氧化物 ，如 SiO2、 Fe2O3、 Al2O3、MgO、CaO 等，在一定高温（通常在 1 100～1 300 ℃）并通入氯气的作用下，这些氧化物转变为氯化物。 由于氧化物的熔沸点较高，而所形成的氯化物熔沸 点较低，汽化后使石墨纯度提高。

浮选法、高温法、氢氟酸法、碱酸法和氯化焙烧法都是能够有效提高石墨纯度的方法，但是化学法由于使用了大量的酸、碱等试剂，提纯后产生的废水 环境污染严重；物理法中浮选法得到的石墨纯度较低，通常只作为提纯的第一步；高温法虽然可以获 得高纯石墨，但是能耗成本高、对加热设备的要求较所以高，无法大规模生产。