Получение и применение пористого графита

Размещено на http://www.allbest.ru/

Получение и применение пористого графита

АННОТАЦИЯ

Цель реферата - рассмотреть состав пористого графита, изложить методики получения, а также описать возможные способы применения данного минерала.

Задачи реферата - изучить и проанализировать литературу по теме происхождения и состава графита, методики получения пористого графита, а также способы пользования пористого графита, описать самые значимые пункты.

Рассмотрены ключевые аспекты методик получения пористого графита, а также наиболее популярные способы применения данного в современном мире.

• ВВЕДЕНИЕ

Графит, как и его сородич алмаз, является одним из самых сильных и самых твердых материалов в мире природы и используется в широком спектре продуктов. Мировой спрос на графит стабильно растет с 2012 года. Это есть результатом улучшения глобальных экономических условий и их влияния на отрасли, которые используют графит.

Потребление графита теряет спрос в привычных отраслях из-за спада в черной металлургии. Тем не менее, нашлось новое применение графита в таких продуктах, как: теплообменники, аккумуляторы, аэрокосмические и ядерные реакторы, и многие другие. Мировые продажи графита, по расчетам экспертов, оцениваются в 14,690 млрд $ США к концу 2016 года, свидетельствуя рост 9,0% по сравнению с 2015 г. и, как ожидается, достигнет 17,56 млрд $ США в 2020 году.

Основные факторы роста рынка графита включают в себя: увеличение использования графита в аккумуляторах и все более широкое использование графита в автомобильной промышленности. Предполагается, что коммерческое признание графена на рынке предоставить дополнительные возможности для графита в ближайшем будущем. Графен, в основном, представляет собой одноатомный слой графита. Он будет играть важную роль в ближайшем будущем, создавая положительное влияние на различные отрасли промышленности, такие как производство электроэнергии и батарей, а также электронной промышленности. Натуральный чешуйчатый графит имеет большое будущее, так как с созданием новых технологий появляются и дополнительные уровни потребности в графите. Производство чешуйчатого графита составляет 400 тысяч тонн в год. Аналитики, сообщают, что спрос со стороны производителей литий-ионных батарей увеличится на 20% в год.

Но не только электрические автомобили имеют батареи. Аккумуляторы в наших мобильных телефонах также содержат графит. Они могут быть гораздо меньше, чем автомобильные - но из населения 7 миллиардов человек, живущих сегодня есть 5,9 миллиарда мобильных телефонов, используемых во всем мире. Это невероятная статистика.

Фактически, любой электрический гаджет будет иметь аккумулятор, заполненный графитом. Электрические автомобили, мобильные телефоны, портативные компьютеры, беспроводные дрели, и электрические зубные щетки: все эти устройства значительно увеличат спрос на чешуйчатый графит.

Новое поколение ядерных реакторов, так называемых "реакторов з шаровыми твэлами", также использует большое количество чешуйчатого графита. Такая структура позволяет реакторам с шаровыми твэлами производить энергию более эффективно и безопасно, по сравнению с обычными аналогами. Благодаря этой технологии реакторы могут стать меньше и проще в эксплуатации.

Электрические батареи и ядерные реакторы с шаровыми твэлами - две современные технологии, которые стимулируют спрос. Но реальное будущее графита может находиться в топливных элементах. Они могут создать больше спроса на чешуйчатый графит, чем все другие отрасли вместе взятые. Топливный элемент - это как большая батарея, которая производит энергию с помощью химических процессов. Вам нужно "заправлять" его время от времени топливом, которое содержит графит.

Это не научная фантастика. Топливные элементы уже используются для питания телефонов, транспортных средств, а также обеспечивают резервное питание для зданий, таких как больницы. Toyota уже приступила к полномасштабному коммерческому производству топливных элементов.

Использование графита в стольких направлениях, говорит нам о его позитивной долгосрочной перспективе. Но "высокотехнологичные" товары быстро развиваются и появляется еще больше рынков сбыта с большим спросом на чешуйчатый графит.

Будь-то использование графита для аккумуляторов, ядерных реакторов, топливных элементов, или даже графен - дело в том, что графит имеет очень важное значение для хай-тек технологий. Это делает его приоритетным товаром, который открывает огромные инвестиционные возможности.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Свойства графита

Хорошо проводит электрический ток. В отличие от алмаза обладает низкой твёрдостью (1--2 по шкале Мооса). Плотность 2,08--2,23 г/смі. Цвет тёмно-серый, блеск металлический. Неплавкий, устойчив при нагревании в отсутствие воздуха. В кислотах не растворяется. Жирный (скользкий) на ощупь. Природный графит содержит 10--12 % примесей глин и окислов железа. При трении расслаивается на отдельные чешуйки (это свойство используется в карандашах).

Электрическая проводимость монокристаллов графита анизотропна, в направлении, параллельном базисной плоскости, близка к металлической, в перпендикулярном - в сотни раз меньше. Минимальное значение проводимости наблюдается в интервале 300-1300 К, причем положение минимума смещается в область низких температур для совершенных кристаллических структур. Наивысшую электрическую проводимость имеет рекристаллизованный графит.

Коэффициент теплового расширения графита до 700 К отрицателен в направлении базисных плоскостей (графит сжимается при нагревании), его абсолютное значение с повышением температуры уменьшается. Выше 700 К коэффициент теплового расширения становится положительным. В направлении, перпендикулярном базисным плоскостям, коэффициент теплового расширения положителен, практически не зависит от температуры и более чем в 20 раз выше среднего абсолютного значения для базисных плоскостей.

Монокристаллы графита диамагнитны, магнитная восприимчивость незначительна в базисной плоскости и велика в ортогональных базисным плоскостях. Коэффициента Холла меняется с положительного на отрицательный при 2400 К.

1.2 Структура графита

Каждый атом углерода ковалентно связан с тремя другими окружающими его атомами углерода.

Различают две модификации графита: б-графит (гексагональный P63/mmc), представлен на рис. 1 и в-графит (ромбоэдрический R(-3)m), представленный на рис. 2. Различаются упаковкой слоёв. У б-графита половина атомов каждого слоя располагается над и под центрами шестиугольника (укладка …АВАВАВА…), а у в-графита каждый четвёртый слой повторяет первый. Ромбоэдрический графит удобно представлять в гексагональных осях, чтоб показать его слоистую структуру.

в-графит в чистом виде не наблюдается, так как является метастабильной фазой. Однако, в природных графитах содержание ромбоэдрической фазы может достигать 30 %. При температуре 2500-3300 К ромбоэдрический графит полностью переходит в гексагональный.

Рисунок 1. Структура б-графита

1.3 Условия нахождения в природе графита

Сопутствующие минералы: пирит, гранаты, шпинель. Образуется при высокой температуре в вулканических и магматических горных породах, в пегматитах и скарнах. Встречается в кварцевых жилах с вольфрамитом и др. минералами в среднетемпературных гидротермальных полиметаллических месторождениях. Широко распространён в метаморфических породах -- кристаллических сланцах, гнейсах, мраморах. Крупные залежи образуются в результате пиролиза каменного угля под воздействием траппов на каменноугольные отложения (Тунгусский бассейн). Акцессорный минерал метеоритов. С помощью ионной масс-спектрометрии российским учёным удалось обнаружить в составе графита золото, серебро и платиноиды (платина, палладий, иридий, осмий и проч.)в форме металлоорганических нанокластеров.

1.4 Искусственный синтез

Искусственный графит получают разными способами:

· Ачесоновский графит: нагреванием смеси кокса и пека до 2800 °C;.

· Рекристаллизованный графит: термомеханической обработкой смеси, содержащей кокс, пек, природный графит и карбидообразующие элементы.

· Пирографит: пиролизом из газообразных углеводородов при температуре 1400--1500 °C в вакууме с последующим нагреванием образовавшегося пироуглерода до температуры 2500--3000 °C при давлении 50 МПа (образовавшийся продукт -- пирографит; в электротехнической промышленности применяется наименование «электрографит»).

· Доменный графит: выделяется при медленном охлаждении больших масс чугуна.

· Карбидный графит: образуется при термическом разложении карбидов.

1.5 Переработка

Переработкой графита, получают различные марки графита и изделия из них. Так, товарные сорта графита получают обогащением графитовых руд. В зависимости от степени очистки графитовые концентраты классифицируют на промышленные марки по областям применения, каждая из которых выдвигает специфические требования к физико-химическим и технологическим свойствам графитов.

В свете последних открытий российских учёных появилась перспектива получения из графитовых руд золота и платиноидов.

1.6 Способ получения пористого углеродного материала из природного графита

Изобретение относится к технологии углеграфитовых материалов с высокой удельной поверхностью и развитой пористостью, которые могут быть использованы в качестве сорбентов и носителей для катализаторов. Порошок природного скрытокристаллического графита с размером частиц 2-2,5 мм обрабатывают окислительной смесью при температуре кипения 10 ч и отфильтровывают. В качестве окислительной смеси используют меланж - продукт производства азотной кислоты, который содержит, мас.%: Н2SO4 - 7,5-15; H2O - 3,5-5; остальное HNO3. Объемное отношение графит: меланж составляет 1:6. Фильтрат центрифугируют. К полученному осадку добавляют воду и вновь центрифугируют, повторяя эти этапы промывки водой до рН промывных вод 7. Отмытый материал сушат и термообрабатывают при 800°С в течение 3 мин. Изобретение позволяет упростить технологию, снизить температуру термообработки окисленного графита. Полученный пористый углеродный материал имет удельную поверхность 498 м2/г, объем пор 0,270 см3/г. Выход целевого продукта 20,3 мас.%.

Способ получения пористого углеродного материала из природного графита, включающий обработку графита окислительной смесью в виде меланжа, продукта производства азотной кислоты, содержащей 7,5-15 мас.% H2SO4, 3,5-5 мас.% Н2О, остальное НNО3, отделение окисленного графита фильтрованием, промывку водой, сушку и термообработку целевого продукта, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют порошок скрытокристаллического графита размером частиц 2-2,5 мм, который обрабатывают меланжем в объемном соотношении графит: меланж 1:6 при температуре кипения смеси в течение 10 ч, фильтрат центрифугируют, к полученному осадку добавляют воду и вновь центрифугируют, повторяя эти этапы до рН промывных вод 7, термообрабатывают при 800°С в течение 3 мин.

1.7 Применение пористого графита

Большой интерес для промышленности представляют пористые графиты. Применение их в качестве фильтров весьма эффективно, так как они стойки почти во всех средах, а при загрязнении легко могут быть промыты.

Пористый графит незаменим для фильтрования расплавленной серы, диоксида серы, муравьиной и уксусной кислот.

Пористый графит, пропитанный кремнием, обладает высокой механической прочностью и термостойкостью; его используют для защиты вольфрамо-молибде-новых термопар.

Пористый графит с порами различных диаметров применяется для изготовления фильтров. Поставляемые в готовом виде графитовые аноды обычно не требуют специальной обработки перед сборкой, хотя предварительный вакуумный отжиг таких анодов весьма желателен. В условиях высокого вакуума графит обжигается гораздо легче, а науглероженные металлы при отжиге в водороде склонны покрываться липкими карбонилами. Во всех случаях опасны пыль, остающаяся в порах графита, и поверхностные загрязнения, появляющиеся при ручной или механической обработке графитовой детали, изготовляемой из заготовки. Такого рода загрязнения необходимо удалять нагреванием деталей на воздухе или в вакууме. Для этого применяется нагрев высокой частотой или в соответствующей печи. Чтобы устранить газовыделение графита при последующем нагреве до более высоких температур, его необходимо предварительно обезгазить в вакууме при 2 150 С. Образующийся в трещинах и порах пар очищает такие детали от пыли и свободных частиц. ?

Пористый графит должен иметь сквозную пористость 20 - 35 % и быть достаточно прочным. Пропитку медью осуществляют под давлением. Наиболее распространенным является метод, связанный с прессованием и спеканием смеси порошка меди с различными углеродсодержащими материалами / Многие медно-графитовые щетки изготовляют из смесей порошков меди и природного графита, однако большая часть щеток содержит, кроме графита, и другие углеродистые составляющие, которые вводят для повышения прочности, улучшения их износостойкости и снижения контактного сопротивления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, мной были изучены основные методики получения пористого графита. Было выяснено, что основной Способ получения пористого графита из природного представляет собой обработку графита окислительной смесью в виде меланжа, продукта производства азотной кислоты фильтрованием, промывку водой, сушку и термообработку целевого продукта, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют порошок скрытокристаллического графита размером частиц 2-2,5 мм, который обрабатывают меланжем в объемном соотношении графит: меланж 1:6 при температуре кипения смеси в течение 10 ч, фильтрат центрифугируют, к полученному осадку добавляют воду и вновь центрифугируют, повторяя эти этапы до рН промывных вод 7, термообрабатывают при 800°С в течение 3 мин.

Кроме того были определены способы применения пористого графита, а именно, использование графита в качестве фильтров при очищении расплавленной серы, диоксида серы, муравьиной и уксусной кислот. Также пористый графит служит для защиты вольфрамо-молибде-новых термопар.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

пористый графит синтез

1. Книга рекордов Гиннесса для химических веществ - www.chemister.pp.ru/Chemie/records.htm

2. Пористый графит. - https://www.ngpedia.ru/id649492p3.html

3. Композитные материалы.- https://www.chipmaker.ru/

Размещено на Allbest.ru