Grafit: Industrijsko crno zlato sa prepoznatljivom ličnošću

Prirodni grafit je ne-nemetalni mineral sastavljen od ugljeničnih elemenata. To je rezultat kombinovanih efekata sedimentacije i metamorfizma tokom perioda geološke istorije. Proces njegovog formiranja se uglavnom sastoji od dvije faze: faze akumulacije sedimenta bogatog ugljikom-i faze metamorfne mineralizacije. Prvi pruža bogat izvor ugljika za formiranje grafita, dok drugi dovršava transformaciju iz ugljika u grafit.

Prirodni grafit se u prirodi formira od ugljičnih supstanci. Izvori ugljičnih tvari mogu se uglavnom podijeliti na organski ugljik i neorganski ugljik. Među njima dominira organski ugljik, koji uglavnom dolazi iz biljaka algi i mikrofosila u izvornom oceanu, kao i drugih ostataka koji sadrže ugljik-. Neorganski ugljik čini relativno manji udio, uglavnom dolazi od ugljika-koji sadrže neorganske supstance kao što su karbonatne stijene nastale u morskom okruženju. Izvorni organski ugljik i anorganski ugljik se akumuliraju i zakopavaju na morsko dno, formirajući sedimentne slojeve bogate ugljičnim tvarima.

Nakon što imaju dovoljne sedimentne rezerve, ugljičnim materijalima su potrebni određeni temperaturni i tlačni uvjeti da bi se transformirali u grafit. Ovaj proces transformacije poznat je i kao proces grafitizacije. Tokom pomicanja Zemljinih tektonskih ploča, sedimentni slojevi-bogati ugljikom u okeanu postepeno se pomiču u duboki dio kore. Zatvoreno okruženje sa visokom temperaturom i pritiskom omogućava raspršenim ugljičnim materijalima da brzo i uredno formiraju grafitne jezgre, a zatim se polako agregiraju i rastu da formiraju kristale grafita. Među njima, temperatura i pritisak su primarni uslovi za transformaciju ugljenih materijala u grafit, a vreme rasta kristala je važan faktor u stepenu grafitizacije.

Prirodni grafit je široko rasprostranjen širom svijeta i ima bogate rezerve. „Sažetak mineralnih sirovina za 2024.“ koji je objavio Geološki zavod Sjedinjenih Država pokazuje da su do kraja 2022. globalno dokazane rezerve prirodnog grafita bile oko 280 miliona tona. Kineske rezerve iznosile su oko 810 miliona tona, što čini otprilike jednu četvrtinu ukupnih globalnih rezervi. Globalna proizvodnja grafita u 2023. iznosila je približno 1,6 miliona tona, a kineska proizvodnja je bila oko 1,23 miliona tona, što čini oko 77% ukupne svjetske proizvodnje, što Kinu čini vodećim svjetskim proizvođačem grafita.

Prirodni grafit je crne boje i klizave teksture. Prema razlikama u kristalnom obliku, može se podijeliti na kristalni grafit i amorfni grafit.

Kristalni grafit ima dobar kristalni oblik i kristali se mogu vidjeti golim okom. Može se dalje klasificirati na grafit u ljuskama i blok grafit. Kada su pojedinačni slojevi grafita uredno naslagani, oni formiraju riblju-ljusku-poput grafita u pahuljicama. Ako je raspored nesređen, formiraće se gusti blok grafit.

Kristali kriptokristalnog grafita su izuzetno mali i nalikuju tlu{0}}supstancama. Njihovi kristalni oblici mogu se jasno uočiti samo uz pomoć elektronskog mikroskopa, pa se stoga nazivaju i grafitima kao tlo{2}}.

Kristalni oblik prirodnog grafita usko je povezan s njegovom industrijskom vrijednošću. Uopšteno govoreći, što je bolji stepen kristalizacije, to su veće karakteristike kvaliteta. Stoga grafit u pahuljici često ima superiorna svojstva i vrijednost primjene u odnosu na druge vrste grafita.

Na osnovu klasifikacije minerala prema njihovom kristalnom obliku, ležišta grafita se dalje mogu podijeliti u tri tipa: regionalni metamorfni tip, kontaktno metamorfni tip i magmatski hidrotermalni tip, na osnovu geološke podloge i uslova tokom formiranja grafita.

Regionalne metamorfne naslage grafita uglavnom su formirane regionalnim metamorfizmom drevnog ugljika-koji sadrži sedimentne slojeve uslijed tektonskih kretanja. Često proizvode grafit velikih{2}}veličina i visokog{3}}kvalitetne ljuspice. Iako je sadržaj rude relativno nizak, ova ležišta imaju veliki obim i industrijska vrijednost je najveća.

Kontaktno metamorfno ležište grafita nastaje kada magma prodre u slojeve koji sadrže ugalj-, a ugljenik u sloju uglja podliježe metamorfizmu. Poznat je i kao grafit koji sadrži ugalj{2}}. Stepen kristalizacije grafita je relativno nizak, predstavlja se kao mikrokristalan ili kriptokristalan. Sadržaj rude je relativno visok i dostiže 60% do 90%.

Hidrotermalne naslage grafita magme nastaju hlađenjem i kristalizacijom tečnosti magme koje sadrže ugljik{0}}. Uglavnom su male veličine, sa nepravilnim mineralnim tijelima, značajnim varijacijama u stepenu kristalizacije grafita, a većina su srednje do fini grafit u pahuljicama. Sadržaj rude je relativno nizak.

Jedinstvena struktura prirodnog grafita daje mu niz odličnih svojstava, a također značajno proširuje opseg njegove primjene u industrijskom polju.

Meka tekstura:Grafit ima odličnu otpornost{0}}na visoke temperature. Njegova tačka topljenja je blizu 4.000 stepeni, a tačka ključanja dostiže 4.250 stepeni. Grafit je atomski kristal, a kovalentne jednostruke veze između atoma ugljika su vrlo jake kemijske veze koje zahtijevaju izuzetno veliku količinu energije za prekid. Zbog toga je tačka topljenja grafita vrlo visoka, a gubi se minimalno čak i pod ekstremno visokim temperaturama. Stoga, u industrijskim sektorima kao što su metalurgija i livenje, grafit se može koristiti za proizvodnju magnezijum-ugljičnih vatrostalnih opeka i grafitnih lonaca otpornih na-temperaturu{11}}.

Otporan na hemikalije:Grafit posjeduje odlična svojstva protiv -korozije. Može izdržati eroziju različitih jakih kiselina, jakih baza i organskih otopina. Štaviše, grafit ima izuzetno nizak "afinitet" za većinu hemijskih rastvora, a njegova površina nije sklona ljuštenju. Može se koristiti u hemijskoj industriji za proizvodnju uređaja visoke{4}}čistoće otpornih na koroziju{5}}, kao što su hemijski cjevovodi, reakcioni rezervoari, tornjevi za sagorevanje itd.

Dobra mazivost:Grafit je čvrsto mazivo sa dugom istorijom upotrebe. Njegova slojevita struktura koja se lako klizi daje mu odlična svojstva podmazivanja. Nakon adsorpcije plinova i vodene pare u zraku, razmak između slojeva grafita se povećava, što olakšava klizanje i dodatno poboljšava performanse podmazivanja. Stoga, u industrijama kao što je mehanička proizvodnja, grafit se može koristiti kao čvrsto mazivo za uklanjanje kalupa sa odljevaka, ili se može kombinirati s drugim metalima kako bi se napravili-ležajevi za podmazivanje bez ulja i drugi frikcioni materijali. To je također često korišteno mazivo u svakodnevnom životu za rješavanje problema rđe jezgri brave.

Električna provodljivost:Grafit je često korišteni nemetalni provodljivi materijal, koji je povezan sa strukturom atoma ugljika u atomima ugljika u grafitu. Svaki atom ugljika ima 4 elektrona u svom vanjskom sloju. U slojevitoj strukturi grafita nalik saću-, svaki atom ugljika koristi 3 elektrona da se poveže sa ostala 3 atoma ugljika oko sebe i formira kovalentne veze. Stoga će svaki atom ugljika imati dodatni slobodni elektron za provođenje struje, što čini grafit odličnu provodljivost. Dakle, grafit se široko koristi u električnoj industriji i obično se koristi kao filament sijalica visokog intenziteta, karbonskih šipki, četkica, itd., ili se primjenjuje kao elektrode u malim elektrodnim karbonskim cijevima, pozitivnim elektrodama živinih ispravljača, ugljiku za zavarivanje, telefonskim priborom i drugim komponentama.

Nadalje, stabilna fizička i kemijska svojstva grafita određuju njegovu pogodnost kao usporivač kemijskih reakcija i dobar izolator. To mu je omogućilo široku primjenu u-najsavremenijim industrijskim poljima kao što su materijali za nuklearnu industriju i komponente zrakoplovne opreme. U reaktorima četvrte -generacije visoko-gasom hlađenih{5}} reaktora koji su trenutno u komercijalnom pogonu u Kini, stabilni grafit se koristi kao usporivač za reaktore.

Razlike između dvije vrste "industrijskog crnog zlata".

Prirodni grafit i ugljen su tvari sastavljene od ugljičnih elemenata, a oba su poznata kao "industrijsko crno zlato". Međutim, oni se značajno razlikuju po strukturnim svojstvima i uzrocima formiranja, a imaju i svoje jedinstvene prednosti u industrijskoj primjeni.

Iz strukturalne perspektive, prirodni grafit i ugalj se značajno razlikuju. Prirodni grafit je čisti mineral sastavljen od ugljikovih elemenata, s atomima ugljika raspoređenim u urednu strukturu sloja i jednoličnu kristalnu strukturu. Ugalj je, s druge strane, mješavina različitih elemenata kao što su ugljik, vodonik i kisik. Atomi ugljika se kombinuju sa drugim atomima da formiraju različite organske molekule, koji se nasumično kombinuju sa neorganskim jedinjenjima, što rezultira složenom i neuređenom strukturom. Stoga su fizička i hemijska svojstva grafita mnogo stabilnija od onih uglja. Njegova tačka paljenja, tačka topljenja i toplotna provodljivost su mnogo veći od onih u uglju. To je razlog zašto, iako oba sadrže veliku količinu ugljičnih elemenata, ugalj se može koristiti kao gorivo, dok grafit ne može.

Iz perspektive uzroka, iako su i prirodni grafit i ugalj produkti sedimentacije i metamorfizma drevnih biljnih ostataka, formiranje grafita zahtijeva metamorfizam visoke-temperature i visokog-pritiska u dubokom dijelu zemljine kore, gdje ugljik može formirati kristale grafita. Ugalj treba samo da prođe kroz taloženje u plitkom dijelu zemljine kore da bi nastao lignit, i da prođe nizak stepen metamorfizma da bi se formirao bitumenski ugalj i antracit. Ako temperatura i pritisak nastave da rastu, može doći i do transformacije uglja u grafit. Na primjer, grafit tipa kontaktnog metamorfnog uglja- nastaje kada magma prodre u sloj antracita i podliježe metamorfizmu na visokim{6}}temperaturama.

U industrijskoj primjeni, prirodni grafit se prilično razlikuje od uglja. Prirodni grafit se uglavnom koristi kao industrijska sirovina za proizvodnju dijelova industrijskih mašina i materijala na bazi ugljika-. Ugalj se, s druge strane, uglavnom koristi za sagorijevanje za opskrbu energijom i ekstrakciju organskih spojeva, kao što su proizvodnja električne energije, proizvodnja čelika i proizvodnja metanola, sirovog amonijaka i tako dalje.

Dolazak novog kruga globalne industrijske revolucije donio je nove mogućnosti i izazove u istraživanju i primjeni grafita. Sa tehnološkim napretkom i industrijskom nadogradnjom, napredna tehnologija obrade grafita kontinuirano postiže napredak, svojstva grafita su se duboko razvijala i koristila, a industrija grafita je počela da se razvija prema visokotehnološkim poljima. Pojavio se niz novih grafitnih materijala, kao što su fleksibilni grafit, sferni grafit, grafen i tako dalje.

Fleksibilni grafit se proizvodi brzim zagrijavanjem i širenjem prirodnog grafita u pahuljici kroz specijalnu kemijsku obradu. Zbog svog ekspanzionog proizvodnog procesa, naziva se i ekspandiranim grafitom. Fleksibilni grafit ne samo da nasljeđuje izvrsna svojstva prirodnog grafita, već i proširuje njegovu mekoću, elastičnost i svojstva adsorpcije. Može raditi pod visokim temperaturama, visokim pritiscima ili radijacijskim uvjetima i može se koristiti kao usporivač plamena i zaptivni materijal. Koristeći svoje hidrofobne i oleofilne karakteristike, može se koristiti kao adsorbens za tretiranje supstanci na bazi nafte-, koje se često koriste za rukovanje curenjem sirove nafte i otpadnim vodama naftnih polja; također može ukloniti tvari rastvorljive u ulju, kao što su pesticidi i neke organske ili neorganske štetne komponente, ili se koristiti za uklanjanje štetnih tvari iz industrijskih ispušnih plinova i izduvnih plinova vozila.

Sferni grafit se dobija upotrebom mehaničkih i fizičkih metoda za sferizaciju prirodnog grafita. Sferni oblik daje mu odličnu električnu provodljivost, kapacitet punjenja i pražnjenja i vijek trajanja, što ga čini relativno idealnim materijalom za negativne elektrode za litijum{1}}ionske baterije. Posljednjih godina upotreba litijum{3}}jonskih baterija u elektronskim proizvodima kao što su kompjuteri, komunikacije i zabava je brzo rasla. Sa brzom ekspanzijom čiste i ekološki prihvatljive industrije električnih vozila, potražnja za litijumskim-jonskim baterijama visokih performansi je kontinuirano rasla, što je zauzvrat dovelo do potražnje i razvoja sfernog grafita.

Među svim novim tipovima grafitnih materijala koji su trenutno dostupni, grafen je nesumnjivo "tamni konj" materijala, koji pokreće novi val primjene grafita i zaista predstavlja novu vrstu proizvodne snage.

Grafen je jednoslojni -materijal nalik pločama- sastavljen od atoma ugljika, također poznat kao jednoslojni grafit. Uprkos izuzetno tankoj debljini, poseduje izuzetno veliku čvrstoću, zajedno sa odličnom električnom provodljivošću, toplotnom provodljivošću i savitljivošću, što ga čini veoma cenjenim u brojnim oblastima kao što su fizika, hemija, biologija i energija. Koristeći superiorna svojstva grafena, mogu se proizvesti napredni industrijski i elektronski proizvodi kao što su kompozitni premazi od grafena protiv -korozije, filmski materijali za rasipanje topline, fleksibilni uređaji za prikaz i senzori senzora. U budućnosti, grafen će imati široku perspektivu u oblastima kao što su biomedicina, optika, elektronika i okoliš, a očekuje se da će donijeti razornu revoluciju u polju poluvodiča, postajući osnovni materijal za kola sljedeće{6}}generacije i superračunare.

U kontekstu kontinuiranog{0}}dubinskog istraživanja grafitnih materijala, očekuje se da će se u budućnosti pojaviti inovativniji materijali na bazi grafita{{1}visokih performansi-, koji će igrati značajnu ulogu u promoviranju industrijskog razvoja, poboljšanju energetske efikasnosti i zaštiti okoliša. Sadašnja istraživanja pokazuju da kvalitet prirodnog grafita direktno utječe na performanse i obim primjene novih materijala pripremljenih od njega. Što je bolji kvalitet i čistoća prirodnog grafita, veće su prednosti u pripremi novih materijala. U budućnosti, oblasti nove energije, novih materijala, nacionalne odbrambene industrije i vazduhoplovstva, koje primjenjuju najsavremenije grafitne materijale, imat će veću potražnju za visoko{7}}kvalitetnim grafitnim resursima. Kao najveća rezerva i proizvođač prirodnog grafita na svijetu, Kina bi trebala nastaviti produbljivati napore u istraživanju grafita, koristiti više metoda za sveobuhvatnu potragu za duboko-ukorijenjenim mineralima i razvijati visoko-kvalitetne resurse, te se oslanjati na to, osnažiti sveobuhvatni razvoj i korištenje resursa grafita, poboljšati istraživanje i tehnološke kapacitete i transformirati prednost u inovacijama u oblastima istraživanja i tehnologije. resurse grafita u razvojne prednosti na novim poljima, kontinuirano osnažujući razvoj novih proizvodnih snaga.