碱酸法提纯石墨试验研究

张 著，刘振楠，胡 亮，姚金江

（湖南有色金属研究院，湖南 长沙 410100）

石墨应具有良好的电热传导性、抗热震性、耐高温性、化学稳定性、耐腐蚀性、润滑性、易于机械加工和可塑性等特点，广泛应用于冶金、化工、机械、轻工、电子和航空等领域［1，2］。天然石墨根据其结晶程度不同，可分为鳞片石墨和隐晶石墨两大类［3］，其鳞片石墨的价值高，储量少，应用尤为广泛［4］。

鳞片石墨提纯的方法有化学法和高温通气法［5，6］，化学法即用强酸、强碱分别去除石墨中的金属氧化物和非金属氧化物杂质［7］，又分为碱酸法、氢氟酸法和氯化焙烧法等。本试验研究对比加碱焙烧和不焙烧碱酸法对提纯石墨的影响，探索了鳞片石墨碱酸法提纯工艺条件。

1 试 验

1.1 试验原料

本研究采用的原料为天然鳞片石墨经浮选后的精矿，石墨精矿固定碳含量为89.69%、挥发份为3.68%、灰分为6.63%，主要杂质成分为硅、铁、铝、镁和钙等，主要成分见表1。

表1 石墨精矿主要成分 %

对石墨精矿的粒径进行分析，粒径分布如图1所示，粒径分布较广，主要分布在0.5～10μm之间，D50为2.633μm，D90为6.286μm，粒度较细，所以提纯前不再进行球磨。

图1 石墨精矿粒径分布

图2 石墨精矿XRD图

对石墨精矿物相进行分析，石墨精矿XRD图如图2所示，从图2可知，石墨精矿XRD图谱中出现了d值为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。出现d值为1.003 8 nm、0.450 2 nm、0.258 1 nm、0.150 3nm云母特征衍射峰及d值为0.426 9 nm石英特征衍射峰。由特征衍射峰可知，石墨精矿中除石墨外还含有云母和石英等杂质矿物［8］，化学提纯过程主要考虑除去石墨中的云母和石英。

1.2 试验主要仪器

试验主要仪器有：激光粒度分析仪、恒温干燥箱、分析天平、pH510型pH计、HZQ-C恒温水浴锅、JJ-1精密增力电动搅拌器、真空泵、抽滤瓶等。

1.3 试验方法

1.3.1 不焙烧

将石墨精矿、烧碱或盐酸加入至烧杯中，加入纯净水在设定条件下进行搅拌浸出，浸出浆料进行过滤，滤饼采用纯净水洗涤三次。滤饼在恒温干燥箱中干燥后，按照GB／T 3521-2008中方法分析石墨中固定碳含量。

1.3.2 加碱焙烧

将石墨精矿与碱混合均匀，加入适量水，制成直径0.5～1 cm的球，在恒温干燥箱中烘干。然后在设定的温度下焙烧，焙烧后焙砂磨细，加入纯净水在设定条件下进行搅拌浸出，浸出浆料进行过滤，滤饼采用纯净水洗涤三次。洗涤后滤饼加入盐酸和纯净水在设定条件下进行搅拌浸出，浸出浆料进行过滤，滤饼采用纯净水洗涤三次，在恒温干燥箱中干燥后，按照GB／T 3521-2008中方法分析石墨中固定碳含量。

2 试验结果及讨论

2.1 碱用量对石墨提纯的影响

采用烧碱直接提纯石墨，研究烧碱加入量（m烧碱／m石墨＝0.1、0.2、0.3、0.4、0.5）对石墨提纯的影响，浸出温度为90℃，浸出液固比为5∶1，浸出时间为2 h，试验结果如图3所示。

图3 碱加入量对石墨提纯的影响

由图3试验结果可知，随着烧碱量的提高，提纯后的石墨固定碳含量增加，主要原因为石墨中杂质SiO2和Al2O3与烧碱反应，溶于水相，使石墨中固定碳含量升高［6］。当m烧碱／m石墨为0.4时，石墨固定碳含量达到92.82%；继续增加烧碱量，提纯后石墨固定碳含量不再增加。

2.2 盐酸用量对石墨提纯的影响

采用盐酸直接提纯石墨，研究盐酸加入量（m盐酸／m石墨＝0.1、0.2、0.4、0.6、0.8）对石墨提纯的影响，浸出温度为90℃，浸出液固比为5∶1，浸出时间为2 h，试验结果如图4所示。

图4 盐酸加入量对石墨提纯的影响

由图4试验结果可知，采用盐酸直接提纯石墨，随着盐酸加入量的增加，提纯后石墨中固定碳含量增加，主要原因为石墨中可溶于盐酸的铁、铝、镁和钙等杂质进入水相，提高石墨固定碳含量。当m盐酸／m石墨为0.4时，提纯后石墨固定碳含量增加缓慢。

2.3 焙烧温度对碱酸法提纯石墨的影响

研究加碱焙烧温度（不焙烧、400℃、500℃、600℃、700℃）对碱酸法提纯石墨的影响，焙烧碱加入量m烧碱／m石墨为0.4，焙烧时间为1 h，焙砂浸出温度为90℃，浸出液固比为5∶1，浸出时间为2 h。浸出渣再采用盐酸浸出，浸出条件为盐酸加入量为m盐酸／m石墨＝0.4，浸出温度为90℃，浸出液固比为5∶1，浸出时间为2 h，试验结果如图5所示。

图5 焙烧温度对提纯石墨的影响

由图5试验结果可知，不焙烧碱酸法提纯石墨后固定碳含量为94.08%，焙烧温度为400℃和500℃时，随着焙烧温度的增加，提纯后石墨固定碳含量增加。在高温条件下，石墨精矿中硅、铝杂质与熔融的碱发生反应更彻底，生成可溶性钠盐［9］，提高石墨的纯度。温度为500℃时，提纯后石墨固定碳含量为95.86%。当焙烧温度超过500℃，提纯后石墨固定碳含量反而降低，可能原因有两种，其一为焙烧温度过高，石墨被氧化，使得石墨中固定碳含量下降；其二为焙烧过程，氢氧化钠与SiO2反应为放热反应，提高温度不利于反应彻底进行［10］。

2.4 焙烧时间对碱酸法提纯石墨的影响

研究加碱焙烧时间（0.5 h、1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h）对碱酸法提纯石墨的影响，焙烧碱加入量m烧碱／m石墨为0.4，焙烧温度为500℃，焙砂浸出温度为90℃，浸出液固比为5∶1，浸出时间为2 h。浸出渣再采用盐酸浸出，浸出条件为盐酸加入量为m盐酸／m石墨＝0.4，浸出温度为90℃，浸出液固比为5∶1，浸出时间为2 h，试验结果如图6所示。

图6 焙烧时间对提纯石墨的影响

由图6试验结果可知，焙烧时间由0.5 h增加至1 h，提纯后石墨固定碳含量增加；当焙烧时间由1 h增加至2.5 h，提纯后石墨固定碳含量反而减少，可能原因为焙烧时间过长，石墨被氧化，使得石墨中固定碳含量下降。

3 结 论

1.焙烧碱加入量m烧碱／m石墨为0.4，焙烧温度为500℃，焙烧时间为1 h，焙砂浸出温度为90℃，浸出液固比为5∶1，浸出时间为2 h。浸出渣再采用盐酸浸出，浸出条件为盐酸加入量为m盐酸／m石墨＝0.4，浸出温度为90℃，浸出液固比为5∶1，浸出时间为2 h，提纯后石墨固定碳含量达到95.86%。

2.碱加入量m烧碱／m石墨为0.4，浸出温度为90℃，浸出液固比为5∶1，浸出时间为2 h。浸出渣再采用盐酸浸出，浸出条件为盐酸加入量为m盐酸／m石墨＝0.4，浸出温度为90℃，浸出液固比为5∶1，浸出时间为2 h，不焙烧碱酸法提纯石墨后固定碳含量为94.08%。

3.加碱焙烧碱酸法提纯石墨效果优于不焙烧碱酸法。