הגרפיט, כאלוטרופי של פחמן, הוא בעל תכונות מיוחדות רבות בשל מבנה הגביש הייחודי שלו. גבישי גרפיט שייכים למערכת המשושה ובעלי סידור שכבות. בכל שכבה אטומי פחמן מחוברים זה לזה בסידור ייחודי, כאשר שישה אטומי פחמן יוצרים טבעות משושה רגילות באותו מישור, וכל אטום פחמן מוקף בשלושה אטומי פחמן סמוכים. שני האלקטרונים 2p הניצבים למישורי אטום הפחמן, שאינם מעורבים בהכלאה, יכולים לנוע בחופשיות בתוך סריג הגביש ולחפוף ליצירת קשרי π, ובכך להעניק לגרפיט מוליכות חשמלית ותרמית טובה.
גרפיט הוא מוליך מצוין, בעל לא רק מוליכות תרמית טובה אלא גם מוליכות חשמלית יוצאת דופן. יחד עם זאת, הוא מפגין קשיחות וחוזק קבועים גבוהים, שומר על המאפיינים החזקים והיציבים שלו גם בסביבות-בטמפרטורה גבוהה העולה על 3600 מעלות. הגרפיט מועדף מאוד גם בגלל תכונות הסיכה המצוינות שלו, האינרטיות הכימית ועמידותו בפני קורוזיה, מה שהופך אותו ליישום נרחב בתחומים רבים [3].
בהתבסס על הצורות הגבישיות השונות של גרפיט טבעי, ניתן לסווג אותו באופן תעשייתי לגרפיט גבישי וגרפיט אפאניטי (אמורפי). בין אלה, גרפיט גבישי עם גבישיות טובה יותר ניתן לחלוקה נוספת לגרפיט גוש (גרפיט גבישי מסיבי) ולגרפיט פתיתים.
גרפיט פתיתים מופיע בדרך כלל כגבישים בודדים או כצמיחת גבישים מקבילה בצורה של יריעות דקות ופתיתים. צורתו הגבישית מפותחת בדרך כלל- היטב ולעתים קרובות מתרחשת כאגרגטים, כאשר גדלי גרגירי גבישים בדרך כלל עולים על 1 מיקרומטר. עפרות גרפיט פתיתים שנכרו באופן טבעי הן בדרגה נמוכה יחסית, אך בהשוואה לסוגים אחרים של גרפיט, היא מציגה יכולת ציפה, סיכה ופלסטיות מעולות, מה שבדרך כלל נותן לנתז גרפיט ערך כלכלי גבוה יותר. לגוש גרפיט יש בדרך כלל תכולת פחמן של כ-60%-65%, כאשר חלקם מגיעים ליותר מ-80%, אך הפלסטיות והסיכה שלו נחותים מאלו של גרפיט פתיתים.
בשל הגבישיות הדלה שלו, מורפולוגיה הגבישית של גרפיט אפאניטית נראית רק במיקרוסקופ אלקטרוני, והוא נראה ארצי בעין בלתי מזוינת; לפיכך, הוא ידוע גם כגרפיט ארצי, אמורפי או מיקרו-גבישי. לגרפיט אפאניטי יש ברק נמוך יחסית, וסיכותו לא יכולה להשתוות לזו של גרפיט פתיתים. עם זאת, הציון שלו בדרך כלל גבוה יותר, כאשר חלקם אף מגיעים ליותר מ-90% [4].
2. יישומים של גרפיט
לגרפיט טבעי תכונות פיזיקוכימיות מצוינות, המובילות למגוון רחב של יישומים. הוא ממלא תפקיד חסר תחליף ומשמעותי בתעשיות רבות, כולל מתכות, שימון, איטום, אנרגיה גרעינית ואגירת אנרגיה.
בתעשיית המתכות, גרפיט טבעי הוא חומר גלם ליבה ליישומי עקשן ויציקה. תוך מינוף המוליכות החשמלית הטובה שלו ועמידות הטמפרטורה הגבוהה-, אלקטרודות גרפיט משמשות כמרכיבים מרכזיים בייצור פלדה של תנורי קשת חשמליים, תוך התאמה אמינה לתנאי התכה-בטמפרטורה גבוהה. במקביל, חומרים עקשנים על בסיס גרפיט, עם עמידות גבוהה-לטמפרטורות ועמידות בפני שחיקה, נמצאים בשימוש נרחב כמבני ריפוד בהתכת פלדה, התכת מתכת לא-ברזלית, ותנורים מתכתיים שונים בטמפרטורה- גבוהה, מה שהופך אותם לחומרים בסיסיים חיוניים לתעשייה [5].
בתחום הסיכה, חומרי סיכה הם הכרחיים בחיים המודרניים, המשמשים במכוניות, ספינות, מטוסים ומכונות. בתנאים מיוחדים מסוימים, כגון טמפרטורות גבוהות, הביצועים של שמני סיכה יכולים להיות מופחתים באופן משמעותי, ולעתים קרובות גורם לאי סיכה מספקת. כוח החיבור בין שכבות הגרפיט חלש, המאפשר החלקה קלה תחת כוח חיצוני; לכן, גרפיט מציג תכונות סיכה מצוינות והוא חומר סיכה מוצק אידיאלי. יתר על כן, בשל ההתנגדות הגבוהה שלו לטמפרטורה-, חומרי סיכה מבוססי גרפיט- יכולים לתפקד ביעילות בסביבות קיצוניות כמו טמפרטורות גבוהות, ולהשיג תוצאות טובות [6].
בתחום האיטום, חומרי איטום גרפיט, בשל עמידותם יוצאת הדופן בפני קורוזיה, עמידות-לטמפרטורות גבוהות ויציבות מבנית, מוצאים יישום נרחב בתעשיות כגון הנדסה כימית, מכונות ואלקטרוניקה. בהתבסס על מבנה השכבות הייחודי שלו ותכונות האיטום הטובות שלו, גרפיט טבעי יכול להסתגל ביעילות לתנאי איטום בציוד מכני שונים, לשמור על ביצועים יציבים בסביבות מורכבות וקשות ולהאריך משמעותית את חיי השירות של רכיבי איטום [5]. בנוסף, דחיסה של גרפיט נקבובי ועם -משטח- מורחב באנרגיה יכולה לייצר יריעות גרפיט גמישות. בשל עמידותם הגבוהה בטמפרטורה, עמידות בפני קורוזיה, יציבות כימית וחוזק מכני מסוים, יריעות אלו יכולות לתפקד ביעילות בתנאים מיוחדים, ולזכות בגרפיט גמיש במוניטין של "מלך האיטום" [6].
במגזר האנרגיה הגרעינית, גרפיט טבעי בטוהר-גבוה הוא חומר הגלם המרכזי לייצור מתדרי נויטרונים בכורים גרעיניים. ביצועי מתן הנייטרונים המצוינים שלו והיציבות המבנית-בטמפרטורה הגבוהה הופכים אותו לחומר מפתח עבור תחנות כוח גרעיניות ומתקני מחקר גרעיני. בסוגים ספציפיים של כורים גרעיניים, גרפיט טבעי יכול לשמש גם כחומר מבני, תוך מינוף החוזק המכני הטוב שלו, עמידות הקרינה והתנגדות-לטמפרטורות גבוהות כדי לשמור על שירות-לטווח ארוך ויציב בתנאים קיצוניים של טמפרטורה גבוהה וקרינה אינטנסיבית, מבלי לעוות בקלות או להיכשל, ובכך להבטיח את פעולתו הבטוחה של הציוד [5].
בתחום אגירת האנרגיה, עם ההתפתחות המהירה של תעשיית האנרגיה החדשה, הביקוש בשוק לגרפיט טבעי ממשיך להתרחב. הצמיחה המהירה של תעשיית סוללות הליתיום הניעה באופן משמעותי את הביקוש בשוק לחומרי האנודה, והגרפיט הטבעי, בעל התכונות האלקטרוכימיות הייחודיות שלו, הוא חומר גלם מועדף לייצור אנודות סוללות ליתיום. נכון לעכשיו, תחומים רבים כגון רכבי אנרגיה חדשים, תחנות בסיס תקשורת ניידות ורשתות מיקרו מסתמכים על סוללות ליתיום כמקור הכוח המרכזי שלהם, מה שמבטיח שחומרי האנודה של סוללת ליתיום גרפיט ימשיכו להחזיק בתחרותיות חזקה בתעשייה בשוק האנרגיה החדש העתידי [7].
3. שיטות טיהור גרפיט
נכון לעכשיו, ניתן לסווג שיטות לטיהור גרפיט טבעי לשיטות פיזיקליות וכימיות. ביניהן, שיטות טיהור פיזיקליות כוללות בעיקר שיטות ציפה ושיטות-בטמפרטורה גבוהה; שיטות טיהור כימיות כוללות את שיטת חומצה אלקלית-, שיטת חומצה הידרופלואורית ושיטת קלייה בהכלרה.
3.1 שיטת הציפה
שיטת הציפה היא תהליך עיבוד מינרלים המפריד בין מינרלים מוצקים לתרחיף מימי על סמך הבדלים בתכונות הפיזיקליות והכימיות של פני השטח שלהם. פני השטח של הגרפיט לא נרטבים בקלות על ידי מים, מה שמקנה לו יכולת ציפה טובה ומאפשר הפרדה קלה מזיהומים, מה שהופך אותו למתאים לטיהור באמצעות ציפה [8].
זרימת התהליך הכוללת של שיטת הציפה כוללת בעיקר שלושה שלבי ליבה: טחינה, הפרדת ציפה ומחזור ביניים. ראשית, עפרת הגרפיט הטבעית הגולמית נכתשת ונטחנה. באמצעות טחינה מכנית מושגת שחרור ראשוני של מונומרים גרפיטים מזיהומי גנג, מה שמניח את הבסיס לפעולות ההפרדה הבאות. לאחר הטחינה מערבבים את עיסת הגרפיט ומשרים אותם עם ריאגנטים כימיים ספציפיים. באמצעות שינוי מגיב, ההבדלים במתח השטח של הגרפיט עוברים אופטימיזציה, מרחיבים את פער הציפה בין גרפיט למינרלים של זיהומים ויוצרים תנאים להסרת זיהומים יעילה. לאחר מכן, תהליך ציפה משולב הכולל שלבים מרובים של חיספוס, ניקוי וניקוי מופעל כדי להסיר בהדרגה רכיבי זיהומים מהעיסה, ולמעשה להגביר את הטוהר של רכז הגרפיט. במהלך תהליך הציפה, מתווספים ריאגנטים מתאימים לציפה כדי לשפר עוד יותר את יכולת הציפה של הגרפיט ולשפר את יעילות ההפרדה. אספנים תעשייתיים נפוצים כוללים שמן סולר, נפט, שמן אורן וכו' [9].
שיטת הציפה, כשלב הראשון בטיהור גרפיט, חלה בעיקר על טיפול מקדים של גרפיט דל-פחמן וגדול-נתזים. לתהליך זה מערכת טכנולוגית בוגרת, ציוד תומך פשוט, צריכת אנרגיה כוללת נמוכה ועלויות ייצור ניתנות לשליטה, המציעים יתרונות כלכליים משמעותיים. זוהי טכנולוגיית טיהור גס של גרפיט-חסכונית ביותר ביישומים תעשייתיים. עם זאת, לשיטת הציפה יש מגבלות בולטות ואינה מתאימה לטיהור יעיל של גרפיט מיקרו-גבישי. בהשוואה לגרפיט גבישי, לגרפיט מיקרו-גבישי יש בדרך כלל תכולת זיהומים נמוכה יותר, אך מצב התרחשות הטומאה הייחודי שלו מגביל באופן משמעותי את האפקטיביות של הסרת זיהומי ציפה. חלקיקי גרפיט מיקרו-גבישיים עדינים במיוחד וקשורים באופן אינטימי למינרלים גנגויים, המוטבעים לעתים קרובות בתוך מינרלים חימריים. במהלך הטחינה, קשה להשיג שחרור מספק של מונומרים גרפיטים מזיהומים, מה שמוביל להפחתה משמעותית ביעילות הפרדת הציפה. בסופו של דבר, קשה להשיג תרכיזי גרפיט בטוהר{10} גבוה, ואינם עומדים בדרישות של יישומים תעשייתיים{11} מתקדמים. לסיכום, תהליך הצפת הגרפיט יכול לשמש רק כשיטת טיהור ראשונית, המשמשת בעיקר להסרת מרבית הזיהומים הניתנים להפרדה מעפרות גרפיט גולמיות, ומפחיתה ביעילות את צריכת הריאגנטים ואובדן האנרגיה בתהליכי טיהור עמוקים הבאים ומספקת בסיס חומר גלם-איכותי להמשך זיקוק [10-11].
3.2 שיטת-טמפרטורה גבוהה
שיטת-הטמפרטורה הגבוהה מנצלת את ההבדל בנקודות הרתיחה בין גרפיט (נקודת התכה גבוהה) לבין זיהומים (נקודות רתיחה נמוכות יותר). תחת הגנה של אטמוספירה אינרטית, הטמפרטורה נשלטת בטווח מתאים, מה שגורם לזיהומים בנקודת -רתיחה- נמוכה יותר, כגון תחמוצות מתכות וסיליקטים, להתאדות ולברוח תחילה, בעוד שנקודת ה-היתוך- הגבוהה של הפחמן נשאר בצורה מוצקה, ובכך להשיג הפרדה עמוקה וטיהור [12].
חומרי הגלם המשמשים בשיטת -הטמפרטורה הגבוהה הם בדרך כלל תרכיזי גרפיט המתקבלים לאחר טיהור ציפה או גרפיט פחמן גבוה- המתקבל לאחר טיהור כימי, עם תכולת פחמן הנעה בדרך כלל בין 95% ל-99% [13]. שיטה זו יכולה להשיג טהרות גרפיט של כ-99.995%. למרות שהוא יכול להסיר ביעילות זיהומים המוטבעים בסריג הגרפיט מבלי להרוס את מבנה הגרפיט, ולשפר ביעילות את איכות המוצר, הוא ישים לעתים קרובות רק למגזרי טכנולוגיה מתקדמים כגון הגנה, תעשייה גרעינית ותעופה וחלל. הסיבה לכך היא שחסרונות השיטה משמעותיים: היא דורשת ציוד תובעני, צריכת אנרגיה גבוהה וכרוכה בעלויות השקעה ותפעול משמעותיות, מה שהופך אותה ללא נוחה לייצור{10} בקנה מידה גדול ובעיקר משרת מוצרי גרפיט מתקדמים [12].
3.3 אלקלי-שיטת חומצה
שיטת-החומצה האלקלית, המורכבת משני תהליכים-היתוך אלקלי וטיפת חומצה-ברצף בהתאם לזרימה התעשייתית, היא שיטה יעילה יחסית לטיהור גרפיט טבעי. תהליך היתוך אלקלי: תוך ניצול עמידות של גרפיט לחומצות ואלקליות, גרפיט ואלקלי מעורבבים באופן אחיד בפרופורציה מסוימת ולאחר מכן מבוהלים בטמפרטורה גבוהה. במצב מותך, זיהומים כמו אלומינוסיליקטים, קוורץ וסיליקטים בגרפיט מגיבים כימית עם האלקלי, ויוצרים סיליקטים מסיסים בחומצה-או-מסיסים במים, אשר מוסרים לאחר מכן על ידי שטיפת מים. תהליך שטיפת חומצה: הגרפיט והידרוקסידים האלקליים- נתונים לשטיפה חמה עם תמיסת חומצה הידרוכלורית בריכוז מסוים, והופכת תחמוצות מתכות למלחים מסיסים. לבסוף, באמצעות תהליכים כמו שטיפה והסרת מים, מתקבל גרפיט מטוהר.
נכון לעכשיו, שיטת החומצה האלקלית- היא שיטת הטיהור הנפוצה על ידי יצרני גרפיט ברמת טוהר- בסין. היתרונות הגדולים ביותר שלו כוללים השקעה ראשונית נמוכה, ציוד תגובה פשוט, צדדיות חזקה, יכולת הסתגלות טובה לתהליכים וטוהר וציון גבוהים יחסית של המוצרים המתקבלים. החסרונות הם הצורך בהסתייד בטמפרטורות גבוהות, בלאי אנרגיה וציוד משמעותי, יעילות טיהור נמוכה יחסית, אובדן ניכר של מינרלים יקרי ערך ופוטנציאל לזיהום סביבתי [14].
3.4 שיטת חומצה הידרופלואורית
חומצה הידרופלואורית (HF) היא חומצה חזקה שיכולה להגיב עם רוב הזיהומים בגרפיט. עם זאת, לגרפיט יש בדרך כלל עמידות טובה לחומצה בטמפרטורת החדר והוא יציב מבחינה כימית, במיוחד בכך שאינו מגיב עם חומצה הידרופלואורית. על ידי השריית גרפיט בחומצה הידרופלואורית, המאפשרת תגובה לאורך זמן, ולאחר מכן שטיפה וסינון, נשאר גרפיט בטוהר- גבוה יחסית.
טיהור בשיטת חומצה הידרופלואורית יכול להסיר את רוב הלכלוכים מהגרפיט, ולגרום לגרפיט בטוהר- גבוה בעלות נמוכה. זוהי אחת השיטות הפשוטות והיעילות יותר לטיהור גרפיט. עם זאת, חומצה הידרופלואורית היא רעילה ביותר, מה שמציב סכנות בטיחותיות משמעותיות במהלך תהליך הייצור, מה שמונע אימוצה נרחב ויישומה בייצור תעשייתי [15].
3.5 שיטת צליית הכלור
שיטת צליית הכלור כוללת הוספת כמות מסוימת של מפחית (גז כלור, פחמן טטרכלוריד) לגרפיט וקלייה בטמפרטורות גבוהות באטמוספרה מסוימת. זיהומי תחמוצת מגיבים עם גז כלור בתגובת הכלרה, והופכים אותם לכלורידים. זיהומים כגון סיליקטים, אלומיניום וקוורץ בגרפיט מתפרקים לתחמוצות כמו דו תחמוצת הסיליקון, תחמוצת אלומיניום, תחמוצת ברזל ותחמוצת סידן בחימום בטמפרטורה- גבוהה. מכיוון שנקודות הרתיחה של הכלורידים הללו נמוכות יחסית, הם מתאדים ובורחים במהלך תהליך הקלייה בטמפרטורה- גבוהה, ובכך משיגים הסרה וטיהור של זיהומים.
שיטת צליית הכלור מסירה זיהומים על ידי הוספת גזים מפחיתים כמו כלור כדי להמיר זיהומים לצורות כלוריד. שיטה זו מציעה יעילות טיהור גבוהה ושיעורי התאוששות טובים. עם זאת, גז כלור הוא גז מסוכן המזיק לסביבה, והתהליך מאופיין בחוסר יציבות, המגביל את התפתחותו [16].