一種石墨提純的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種石墨提純方法，尤其是一種在外加直流電場輔助下應(yīng)用離子交換樹脂提純天然石墨的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨作為一種重要的非金屬材料已廣泛地應(yīng)用于冶金、化工、煉油、機械、輕工、電子、航天和核工業(yè)等部門。這些行業(yè)所需石墨的含碳量高達99.9%以上，而天然石墨含碳量僅能達95%左右，遠遠不能滿足高純的要求，因此石墨工業(yè)要在更寬、更深的領(lǐng)域發(fā)展，就必須解決石墨原料高純的核心問題。
[0003]目前天然石墨主要的提純方法有浮選法、高溫法和化學法，其中化學法應(yīng)用較多。利用化學液相法制備高純石墨的方法(201110145009)公開了一種高純石墨的制備方法。其特點是:1.向石墨粉末中加入氫氧化鈉，充分攪拌后烘干，高溫下保溫，冷卻至室溫；2.用工業(yè)用水清洗過濾；3.用鹽酸酸浸，再用蒸餾水清洗；4.加入HF溶液中，加熱至多余的HF揮發(fā)，然后過濾后烘干；即得到高純石墨。不足之處在于加熱使多余的HF揮發(fā)對環(huán)境的污染較為嚴重。另外，還有一種用堿酸-絡(luò)合法提純高碳天然鱗片石墨制備高純石墨的方法(申請?zhí)?CN201310388752)其特點是:1.高溫堿處理；2.王水處理；3.第二次堿處理；
4.協(xié)同絡(luò)合處理。該方法制備的石墨純度高，但要經(jīng)過多步驟的酸堿處理，尤其是使用王水高腐蝕性酸，對于設(shè)備腐蝕性嚴重，致使生產(chǎn)成本增高。本發(fā)明提出了一種能耗小、污染小、工藝簡單且成本較低的石墨提純新工藝，此工藝在實際生產(chǎn)中得到更加廣泛的推廣和應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有的石墨提純工藝能耗大、耗時長、污染嚴重的技術(shù)問題，提出了一種在外加直流電場輔助下利用離子交換樹脂提純石墨的方法，該方法采用732、D001、D113等陽離子交換樹脂，210X4、210X7等陰離子交換樹，在20?80V直流電場下，作用30?60min，在電場作用下石墨可自動吸附在離子交換樹脂表面，使石墨中雜離子與離子交換樹脂中H+或0H_交換，除去電場作用，石墨自動脫附，直接收集干燥后即得高純石墨。此方法工藝操作簡單、能耗小、耗時短、污染小、生產(chǎn)成本低，符合無氟生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的要求，且提純后石墨固定碳含量可達99.9%-99.99%。
[0005]本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，一種石墨提純方法，該方法包括以下步驟: Cl)以含碳量在85%?95%的天然石墨為原料，將其與30%?38%的氫氧化鈉溶液按質(zhì)量比1:1混合均勻，以3?5min/s的速率由室溫升至450?650°C，在此溫度保持60?90min ;反應(yīng)后冷卻至室溫，用高純水將制得樣品洗至中性；按照樣品與8%?10%鹽酸按質(zhì)量比1:3.84混合，在70°C下攪拌4小時；反應(yīng)后濾去溶液，并用高純水水洗樣品至中性，且AgNO3檢測濾液中無Cl
(2)將上述石墨樣品與高純水置于燒杯等容器內(nèi)并與直流電源兩極構(gòu)成閉合回路，此直流電源正負兩極分別固定有用細紗布或半透膜包覆的水處理陰離子交換樹脂和水處理陽離子交換樹脂；
(3)向體系施加20?80V的恒電壓,并作用30?60min,在外加電場作用下石墨自動吸附在兩極，其中的雜離子與離子交換樹脂的H+或OH_進行離子交換，撤除電場石墨自動脫附，將石墨過濾、在110°C烘干至含水量小于0.1%。
[0006]本發(fā)明分階段對石墨進行提純，其中堿熔的目的是使石墨中的雜質(zhì)如硅酸鹽、硅鋁酸鹽、石英等成分與氫氧化鈉發(fā)生反應(yīng)，生成可溶性的硅酸鈉或酸溶性的硅鋁酸鈉，后經(jīng)水洗除去達到脫硅的目的；另一部分雜質(zhì)如金屬氧化物等，經(jīng)堿熔后仍存在于石墨中，可通過接下來的酸浸過程轉(zhuǎn)化為金屬離子或其他可溶物進入液相，通過水洗除去。但是實驗證明由于石墨比表面積較大，一些雜離子容易吸附在其表面，而使其在后續(xù)的水處理過程中極難除去，因此經(jīng)過堿酸法處理得到的石墨純度達不到99.9%的要求，所以須對其進一步處理以得到高純石墨。眾所周知，在電場作用下，電場可與離子之間形成電場力，在此電場力的作用下可誘導吸附在石墨表面的離子脫離石墨表面進入溶液，而離子交換樹脂是一類具有離子交換功能的高分子材料。在溶液中它能將本身的離子與溶液中的同號離子進行交換。陽離子交換樹脂大都含有磺酸基、羧基或苯酚基等酸性基團，其中的H+能與溶液中的金屬離子或其他陽離子進行交換。陰離子交換樹脂含有季胺基、胺基或亞胺基等堿性基團，其在水中能生成0H_離子，可與各種陰離子起交換作用。且離子交換作用是可逆的，因此用過的離子交換樹脂一般用適當濃度的無機酸或堿進行洗滌，可恢復到原狀態(tài)而重復使用，可大大降低成本。本發(fā)明正是利用陰陽離子交換樹脂的這些特點，利用外加電場來誘導堿酸處理后石墨中殘存的雜質(zhì)離子脫附，進而與離子交換樹脂進行離子交換，達到進一步提純石墨至聞純的目的。另外石墨具有良好的導電性，在外加電場的輔助下，一方面能實現(xiàn)石墨的自吸附和脫附使實驗容易控制，石墨易于收集。另一方面在電場作用下也加速了離子的傳輸速度，加速離子交換反應(yīng)，從而節(jié)約反應(yīng)時間進一步降低了生產(chǎn)成本。
[0007]本發(fā)明的有益效果是:首先，該提純方法采用輔助直流電場離子交換法，對堿熔酸洗法提純所得石墨進一步提純，提純后產(chǎn)物無須其他處理，直接干燥即得高純石墨，無污染，可多次重復操作。其次，此方法可通過電場作用實現(xiàn)石墨的自吸附和脫附，便于控制和收集。再次，此方法具有工藝處理時間短、操作工藝簡單、設(shè)備投入成本低的優(yōu)點。
【具體實施方式】
[0008]實施例1
以含碳量在85%?95%的天然石墨為原料，將其與30%?38%的氫氧化鈉溶液按質(zhì)量比I: I混合均勻，以3?5min/s的速率由室溫升至450?650°C，在此溫度保持60?90min ；反應(yīng)后冷卻至室溫，用高純水將制得樣品沖洗至中性；按照樣品與8%?10%鹽酸按質(zhì)量比1:3.84混合，在70°C下攪拌4小時；反應(yīng)后濾去溶液，并用高純水水洗樣品中至中性，且AgNO3檢測濾液中無Cl 將上述石墨樣品與高純水置于燒杯中并與直流電源兩極構(gòu)成閉合回路，直流電源正負兩極分別固定有用細紗布或半透膜包覆的水處理陰、陽離子交換樹脂；施加20?80V的恒電壓，并作用30?60min，在外加電場作用下石墨自動吸附在兩極，其中雜離子與離子交換樹脂的H+或0H_進行離子交換，撤除電場石墨自動脫附，將石墨過濾、在110°C烘干至含水量小于0.1%。通過上述方法提純后，石墨中固定碳含量為99.9-99.99%。
[0009]實施例2
本實施例與實施例1的不同之處在于:以含碳量在90%的天然石墨為原料，將其與30%的氫氧化鈉溶液按質(zhì)量比1:1混合均勻，以5min/s的速率由室溫升至450°C，在此溫度保持60min。本實施例