La grafite è ampiamente utilizzata nelle nuove energie, nell'elettronica, nell'aviazione, nell'aerospaziale, nell'energia nucleare e nelle industrie militari ed è considerata una materia prima cruciale a sostegno dello sviluppo delle industrie strategiche emergenti del mio paese nel 21° secolo. È elencato come una risorsa chiave da paesi e regioni come l’UE, gli Stati Uniti e l’Australia. Nell'industria dei semiconduttori, i prodotti in grafite sono ampiamente utilizzati nelle apparecchiature per il trattamento termico ad alta-temperatura come forni per la crescita dei cristalli, forni di carbonizzazione e forni di grafitizzazione. I prodotti in grafite ad elevata-purezza utilizzati nel carburo di silicio semiconduttore di terza-generazione includono crogioli di grafite per la crescita dei cristalli, riscaldatori di grafite e polvere di grafite; la loro purezza gioca un ruolo decisivo nella qualità dei cristalli di carburo di silicio.
Attraverso lo sviluppo tecnologico e l'iterazione, le tecnologie di purificazione della grafite sono attualmente classificate in cinque categorie: flottazione, metodo con acido alcalino-, metodo con acido fluoridrico, metodo di tostatura con clorazione e metodo di purificazione ad alta-temperatura.
Metodo di flottazione:Il metodo di flottazione viene utilizzato principalmente per la purificazione iniziale del minerale di grafite. Il suo principio di base è quello di sfruttare l'idrofobicità sulla superficie delle particelle minerali stesse, oppure di generare o potenziare l'idrofobicità dopo il trattamento con agenti di flottazione. La superficie della grafite non viene facilmente bagnata dall'acqua e quindi ha una buona galleggiabilità, facilitando la separazione dai minerali impurità. Il metodo di flottazione presenta i vantaggi di un basso consumo energetico e i reagenti possono essere parzialmente riutilizzati, ma la purezza della grafite è limitata ed è difficile purificarla nuovamente. Durante il processo di purificazione si verifica una perdita di polvere di grafite e il tasso di recupero è molto basso.
Metodo dell'acido alcalino-:La grafite e l'idrossido di sodio vengono miscelati e fatti reagire a 650 gradi per formare composti di idrossido insolubili in acqua e prodotti parzialmente solubili in acqua-, che vengono lavati con acqua per rimuovere alcune impurità; quindi il prodotto alcalino-fuso viene miscelato con una certa concentrazione di soluzione di acido cloridrico e fatto reagire a 60-90 gradi per trasformare le impurità in cloruri solubili, quindi lavato con acqua e infine essiccato per ottenere un prodotto di grafite di elevata-purezza. I vantaggi di questo processo sono che l'attrezzatura è semplice e facile da implementare, l'investimento una tantum è piccolo e il prodotto ottenuto è di qualità superiore; gli svantaggi sono un grande consumo di energia, lunghi tempi di reazione, grave corrosione delle apparecchiature, grande perdita di grafite e grave inquinamento dell'acqua.
Metodo dell'acido fluoridrico:Le impurità nel minerale grezzo vengono fatte reagire con acido fluoridrico per generare fluoruro e acido fluorosilico, che sono facilmente solubili in acqua. Le impurità nel minerale grezzo vengono rimosse mediante lavaggio con acqua per ottenere grafite di alta-gradazione. Questo processo ha un'elevata efficienza di rimozione delle impurità, prodotti di alta-qualità, un impatto minimo sulle prestazioni dei prodotti in grafite e un basso consumo energetico. Tuttavia, l’acido fluoridrico è altamente tossico e corrosivo e durante il processo di produzione è necessario installare un rigoroso sistema di trattamento delle acque reflue di sicurezza, il che richiede ingenti investimenti nella protezione dell’ambiente.
Metodo di tostatura con clorazione:Mescolare la grafite con una certa quantità di agente riducente, arrostirla a 1000 gradi in un'atmosfera specifica e introdurre cloro gassoso per la reazione, in modo che i metalli preziosi nel materiale vengano convertiti in fase gassosa o cloruro di fase condensata e complessi con un punto di ebollizione di fusione inferiore e fuoriescano, separandosi così dai restanti componenti per raggiungere lo scopo di purificare la grafite. Questo metodo ha un basso consumo energetico, un'elevata efficienza di purificazione, un alto tasso di recupero e un basso costo. Tuttavia, il cloro è tossico e corrosivo per i prodotti metallici. Se perde, causerà un grave inquinamento dell'ambiente.
Metodo di purificazione ad alta temperatura:Approfittando del fatto che il punto di fusione della grafite (3850 gradi) è molto più alto del punto di ebollizione delle impurità in essa contenute, la grafite viene riscaldata oltre i 2700 gradi, in modo che le impurità nella grafite vengano prima vaporizzate e fuoriescano per raggiungere lo scopo di purificazione. Attraverso questo processo è possibile ottenere prodotti di grafite ad elevata-purezza, ma le apparecchiature di purificazione ad alta-temperatura sono costose, consumano molta energia, hanno una scala di produzione limitata e hanno un rendimento basso.
Oltre ai cinque metodi ben noti di purificazione della grafite sopra menzionati, negli ultimi anni, con il rapido sviluppo della tecnologia dei semiconduttori di terza generazione, è nato un nuovo tipo di metodo di purificazione della grafite, vale a direil metodo di purificazione fisica e chimica.
Il metodo di purificazione fisica e chimica consiste nel posizionare i prodotti di grafite che devono essere purificati in un forno a vuoto e riscaldarli. Aumentando il vuoto nel forno, le impurità nei prodotti di grafite si volatilizzeranno automaticamente quando raggiungono la pressione di vapore saturo. Inoltre, il gas alogeno viene utilizzato per convertire gli ossidi con punti di fusione e di ebollizione elevati nelle impurità di grafite in alogenuri con punti di fusione e di ebollizione bassi per ottenere l'effetto di purificazione.