Технології та перспективні розробки одержання графіту (огляд)

К. В. Сімейко^1,2, С. В. Купріянчук¹ , А. O. Синяговський^1,3

¹ Інститут проблем безпеки АЕС НАН України, вул. Кірова, 36а, Чорнобиль, 07270, Україна
² Інститут газу НАН України, вул. Дегтярівська, 39, Київ, 03113, Україна
³ Національний авіаційний університет, просп. Любомира Гузара, 1, Київ, 03058, Україна

DOI: doi.org/10.31717/2311-8253.23.1.2

Анотація

Стаття присвячена огляду промислових технологій, перспективних розробок та досліджень у напрямі одержання графіту, зокрема ядерної чистоти. Розглянуті хімічні способи очищення природного графіту становлять екологічну небезпеку через використання токсичних прекурсорів, що робить їх забороненими в деяких країнах. Основним термічним способом одержання штучного графіту є високотемпературне нагріванням коксу або антрациту в спеціальних електричних печах і за підвищеного тиску без доступу повітря, але ці технології мають високі енерго- та ресурсозатрати, складність апаратурного оформлення, а також низький вихід кінцевого продукту. Однією з перспективних можливостей є високотемпературне очищення графіту (у тому числі до ядерної чистоти) в апаратах з електротермічним псевдозрідженим шаром. Однак на теперішній час через недостатню кількість досліджень у цьому напрямі технологія так і не набула промислового впровадження. Враховуючи описані фактори, розвиток технології очищення графіту в реакторах з електротермічним псевдозрідженим шаром є актуальним науковим завданням.

Ключові слова: графіт, хімічні та термічні способи одержання, електротермічний псевдозріджений шар, ядерні енергетичні системи IV покоління.

Список використаної літератури

1. Toniolo B. European Carbon and Graphite Association ECGA. Annual Report 2014–2015 / B. Toniolo. — Bruxelles, Belgium : EGGA, 2016. — Режим доступу: http://www.ecga.net/sites/default/files/pdf/ecga_ar_2014-15_draft-final.pdf.

2. Jewell S. Mineral commodity summaries 2017: U. S. Geological Survey / S. Jewell, S. M. Kimball. — Reston, U.S. — 202 p. — doi.org/10.3133/70180197.

3. Olson D. W. Graphite / D. W. Olson // U. S. Geological Survey Minerals Yearbook. — 2014. — U. S. Department of the Interior, U. S. Geological Survey, 15 p. — Available at: https://d9-wret.s3.us-west-2.amazonaws.com/assets/palladium/production/mineral-pubs/graphite/myb1-2014-graph.pdf.

4. Keeling J. Graphite: properties, uses and South Australian resources / J. Keeling // MESA Journal. — 2017. — Vol. 84 (3). — P. 28–41.

5. Siow K. S. Graphite exfoliation to commercialize graphene technology / K. S. Siow // Sains Malaysiana. — 2017. — Vol. 46 (7). — P. 1047–1059. — doi.org/10.17576/jsm-2017-4607-06.

6. Kalyoncu R. S. Graphite / R. S. Kalyoncu // U. S. Geological Survey Minerals Yearbook. — 2000. — Reston, US : U. S. Geological Survey. — P. 76–77.

7. Crossley P. Graphite: high-tech supply sharpens up / P. Crossley // Industrial Minerals. — 2000. — Vol. 398. — P. 31–47.

8. Василенко И. Я. Радиоактивный углерод / И. Я. Василенко, В. А. Осипов, В. П. Рублевский // Природа. — 1992. — № 12. — C. 59–65.

9. Графит как высокотемпературный матеріал: сб. статей; пер. с англ. под. ред. К. П. Власова. — Москва : Мир, 1964. — 420 с.

10. Графит в науке и ядерной технике / Е. И. Жмуриков, И. А. Бубненков, В. В. Дрёмов [и др.]. — Новосибирск, 2013. — 193 с.

11. Доллежаль Н. А. Канальный ядерный энергетический реактор / Н. А. Доллежаль, И. Я. Емельянов. — Москва : Атомиздат, 1980. — 208 с.

12. Графит как конструкционный материал ядерних энерегетических систем IV поколения / А. И. Комир, Н. П. Одейчук, А. А. Николаенко [и др.] // Вопросы
атомной науки и техники. — 2016. — № 1 (101). — С. 51–55.

13. Литиевые батареи для применения на транспорте: современные проблемы и перспективы / В. З. Барсуков, В. Г. Хоменко, И. В. Сеник, О. Ш. Черный // Вопросы химии и химической технологии. — 2013. — № 4. — С. 127–131.

14. Moradi B. Recycling of graphite anodes for the next generation of lithium ion batteries / B. Moradi, G. G. Botte // Journal of Applied Electrochemistry. — 2016. — Vol. 46 (2). — P. 123–148. — doi.org/10.1007/s10800-015-0914-0.

15. Li J. How to develop best carbon/graphite products for lead-carbon battery applications (Superior Graphite) / J. Li, F. Henry, Y. Feng // Poster session presented at the 10th International conference on lead-acid batteries LABAT’2017 (Golden Sands, Bulgaria, June 13–16, 2017). — 2017. — 23 p.

16. Elementenergy / The Committee on Climate Change // Cost and performance of EV batteries (Final report for The Committee on Climate Change). — 2012. — 91 p. — Available at: https://www.element-energy.co.uk/wordpress/wp-content/uploads/2012/06/CCC-battery-cost_-Element-Energy-report_March2012_Finalbis.pdf.

17. Гурин И. В. Чистота графитовых и углеродных композиционных материалов / И. В. Гурин, Т. С. Яковицкая, О. Г. Капленко // Вопросы атомной науки и техники. — (Серия «Физика радиационных
повреждений и радиационное материаловедение»). — 2011. — № 2 (132/97). — С. 132–136.

18. Федоров С. С. Розвиток наукових основ створення високотемпературних агрегатів з електротермічним киплячим шаром для очищення вуглецевих матеріалів: дис. … д-ра техн. наук: спец. 05.14.06 / С. С. Федоров. — Дніпро, 2018. — 302 с.

19. Lee S. Bulk graphite: materials and manufacturing process / S. Lee, D. Kang, J. Roh // Carbon letters. — 2015. — Vol. 16 (3). — P. 135–146. — doi.org/10.5714/
cl.2015.16.3.135.

20. Tambanis S. Thermal processing achieves up to 99.99994% purity of Mahenge graphite concentrates / Steven Tambanis, Gabriel Chiappini. — Black rock mining limited, 2016. — 4 p.

21. Xie W. Fixed carbon content and reaction mechanism of natural microcrystalline graphite purified by hydrochloric acid and sodium fluoride / W. Xie, Z. Wang, J. Kuang, [et al.] // International Journal of Mineral Processing. — 2016. — Vol. 155.— P. 45–54. — doi.org/10.1016/j.minpro.2016.08.002.

22. Брагина В. И. Разработка технологии обогащения графитовых руд / В. И. Брагина, И. И. Бакшеева // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2012. — № 9. — С. 133–137.

23. Перспективные способы подготовки литейных графитов / С. В. Беляев, Г. А. Королева, С. И. Лыткина [и др.] // Журнал Сибирского федерального университета. Инженерия и технологии. — 2014. — № 4 (7). — С. 462–466.

24. Syarifuddin F. Effect of acid leaching on upgrading the graphite concentrate from West Kalimantan (Indonesia) / F. Syarifuddin, F. F. Florena, E. S. Hanam, [et al.] // AIP Conference Proceedings: 2nd Padjadjaran International Physics Symposium, 2015. — 2016. — P. 1712 (1). — doi.org/10.1063/1.4941905.

25. Thi H. T. Sulfuric acid leaching process for producing high purity graphite from 92.6% C to 98% C / H. T. Thi, N. D. Hong // World Journal of Research and Review. — 2017. — Vol. 5 (1). — P. 23–26.

26. Peng W. Increasing the fine flaky graphite recovery in flotation via a combined multiple treatments technique of Middlings / W. Peng, Y. Qiu, L. Zhang, [et al.] // Minerals. — 2017. — № 7 (11). — P. 208. — doi.org/10.3390/min7110208.

27. Ding S. F. Research on purification technics of some flake Graphite / S. F. Ding, Y. P. Niu // Advanced Materials Research. — 2013. — Vol. 119. — P. 753–755. — doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.753-755.119.

28. Олійник М. О. Удосконалення технології збагачення графітової сировини Заваллівського родовища / М. О. Олійник, А. І. Макачова // Гірничий вісник. — 2014. — № 97. — С. 210–215.

29. Hayes T. Graphite for batteries (Edison Report) / T. Hayes. — Edison Investment Research, 2016. — 15 p.
30. Coosa Graphite Project, Coosa County, Alabama. Retrieved March 14/2018. — Available at: https://www.mining-technology.com/projects/coosa-graphite-project-coosa-county-alabama.

31. Gubinskiy M. V. Analysis of Energy Efficiency of Furnaces for High Temperature Treatment of Carbon Materials / M. V. Gubinskiy, S. S. Fedorov, N. V. Livitan, [et al.] // Metallurgical and Mining Industry. — 2013. — Vol. 5 (2). — P. 71–76.

32. Zaghiba K. Purification process of natural graphite as anode for Li-ion batteries: chemical versus thermal / K. Zaghiba, X. Songb, A. Guerfia, [et al.] // Journal of Power Sources. — 2003. — Vol. 119/121. — P. 8–15. — doi.org/10.1016/S0378-7753(03)00116-2.

33. Лакомский В. И. Электрические и электроконтактные свойства электродного термоантрацита / В. И. Лакомский. — Киев : Академпериодика, 2008. — 105 c.

34. Петров Б. Ф. Энергосбережение при производстве электродного термоантрацита / Б. Ф. Петров. — Киев : Экотехнология, 2006. — 144 c.

35. Gasik M. M. Modelling and optimisation of anthracite treatment in an electrocalcinator / M. M. Gasik, M. I. Gasik, O. Yu. Urazlina, S. V. Kutuzov // Proceedings of the Twelfth International Ferroalloys Congress Sustainable Future (Helsinki, June 6–9). — 2010. — P. 339–348.

36. Patent USA no. US568323A. C04B35/532 Manufacture of graphite / Aplicant and patent holder: E. G. Acheson. — Application date: 27.12.1895. Publication date: 29.09.1896.

37. Ragan S. Science and technology of graphite manufacture / S. Ragan, H. Marsh // Journal of Materials Science. — 1983. — Vol. 18 (11). — P. 3161–3176. — doi.org/10.1007/ bf00544139.

38. Форись С. Н. Математическое моделирование шахтных известково-обжиговых печей / С. Н. Форись, С. С. Федоров, М. В. Губинский // Системні технології: регіональний міжвузівський збірник наукових праць. — 2008. — № 2. — С. 98–104.

39. Форись С. Н. Исследование влияния турбулентной диффузии газа на работу шахтных известковообжиговых печей / С. Н. Форись, С. С. Федоров, О. Г. Федоров // Інтегровані технології та енергозбереження: щоквартальний науково-практичний журнал. — 2008. — № 2. — С. 146–150.

40. Исследование процессов смесеобразования в шахтных известково-обжиговых печах / С. С. Федоров, С. Н. Форись, Р. Г. Хейфец [и др.] // Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика: зб. наук. праць. — 2010. — № 2. — С. 184–197.

41. Purification Furnaces // TevTech. Materials Processing Solutions : official website. — 2013. — Available at: http://www.tevtechllc.com/graphite-purification.jsp.

42. Syarifuddin F. Effect of acid leaching on upgrading the graphite concentrate from West Kalimantan (Indonesia) / F. Syarifuddin, F. F. Florena, E. S. Hanam, [et al.] // AIP Conference Proceedings (2nd Padjadjaran International Physics Symposium, 2015). — 2016. — P. 1712. — doi.org/10.1063/1.4941905.

43. Ojovan M. I. Studying treatment of irradiated graphite / M. I. Ojovan, A. J. Wickham // Nuclear Engineering International (Retrieved February 23/2016). — Available at: www.neimagazine.com/features/featurestudying-treatment-of-irradiated-graphite-4818534.

44. Windes W. Graphite Technology Development Plan / W. Windes, T. Burchell, R. Bratton. — Idaho National Laboratory, 2010. — 60 p. — https://doi.org/10.2172/993160.

45. Виргильев Ю. С. Примеси в реакторном графите и его работоспособность / Ю. С. Виргильев // Атомная энергия. — 1988. — T. 84, вып. 1. — С. 7–16.

46. Neighbour G. B. Management of ageing in graphite reactor cores / G. B. Neighbour. — Royal Society of Chemistry. — 2007. — 299 p. — https://doi.org/10.1039/9781847557742.

47. Thi H. T., Hong N. D. Sulfuric acid leaching process for producing high purity graphite from 92.6% C to 98% C / H. T. Thi, N. D. Hong // World Journal of Research and
Review. — 2017. — Vol. 5 (1). — P. 23–26.

48. Химическое обогащение графит-содержащих продуктов / Т. А. Олейник, О. И. Дзюба, В. Н., Харитонов, Е. В. Кулаков // Наукові праці Донецького національного університету. — 2008. — № 15 (131). — С. 139–151.

49. Вплив домішок та методологія їх визначення в графіті як в активному матеріалі літій-іонних джерел струму / Д. І. Коробко, В. Г. Хоменко, В. З. Барсуков, І. С. Макєєва // Вісник Київського національного університету технологій та дизайну. — (Серія «Технічні науки»). — 2015. — № 3. — С. 220–226.

50. Nuclear Graphite Waste Management // Technical Committee meeting held in Manchester, United Kingdom, October 18–20, 1999. — IAEA, 2001. — 217 p.

51. Chang E. L. Purification of carbon nanotubes by high temperature chlorine gas treatment / E. L. Chang, H. L. Poh, Z. Sofer, M. Pumera // Physical Chemistry Chemical Physics. — 2013. — Vol. 15. — P. 5615. — doi.org/10.1039/c3cp50348h.

52. Canadian Patent no. CA2163221. C01B32/215 (2017.01), C01B32/20 (2017.01), B01J 8/02 (2006.01) Process and apparatus for the purifications of graphite / J.-M. Lalancette; Aplicant and patent holder: STRATMIN INC. — Application date: 21.05.1993. Publication date: 30.10. 2001.

53. Tsuji K. Global value chains: Graphite in lithium-ion batteries for electric vehicles. Working Paper ID-090 / K. Tsuji. — United States International Trade Commission, 2022. — 91 p.

54. Patent USA № US5419889A. C01B32/215 Method for manufacturing high purity graphite material. / T. Matsumoto, T. Hoshikawa; Aplicant and patent holder: Toyo Tanso Co Ltd. — Aplication date: 14.12.1994. Publication date: 30.05.1995.

55. Gupta C. K. Fluid Bed Technology in Materials Processing / C. K. Gupta, D. Sathiyamoorthy. — New York : CRC Press LLC, 1999. — 512 p.

56. Бородуля В. А. Высокотемпературные процессы в электротермическом кипящем слое / В. А. Бородуля. — Минск: Наука и техника, 1973. — 176 с.

57. Локальная проводимость кипящего слоя, состоящая из электропроводящих частиц / А. И. Малиновский, О. С. Рабинович, В. А. Бородуля [и др.] // Инженернофизический журнал. — 2012. — T. 85, № 2 — С. 239–245.

58. Кожан А. П. Электросопротивление кипящего слоя графитовых частиц / А. П. Кожан, К. Е. Махорин, С. П. Гориславец // Инженерно-физический журнал. —
1968. — № 15 (4). — С. 648–652.

59. US Patent no. US4160813A. C01B31/02; C01B31/04 Method for heat treating carbonaceous material in a fluidized bed / R. F. Markel, W. M. Goldberger; Aplicant and patent holder: Graphite Synthesis Company. — Aplication date: 21.07.1978. Publication date: 10.07.1979.

60. Ахметов М. М. Получение малосернистых коксов из сернистых нефтей / М. М. Ахметов. — Уфа : ГУП ИНХПРБ, 2010. — 180 с.

61. European Patent no. EP 0274165B1. C01 B31/04, B01J 8/24 Thermal purification of natural mineral carbons / W. M. Goldberger, P. R. Carney, A. K. Reed; Aplicant and patent holder: Graphite Synthesis Company. — Aplication date: 05.01.1987. Publication date: 13.07.1988.

62. Patent USA no. US20050062205A1. C22B5/14 Method and apparatus for heat treatment of particulates in an electrothermal fluidized bed furnace and resultant products / M. Zak, W. Harrison, J. Doninger; Aplicant and patent holder: Graphite Synthesis Company. — Aplication date: 18.09.2003. Publication date: 24.03.2005.

63. Chudnovsky Ya., Kozlov A. Development and Testing of the Advanced CHP System Utilizing the Off-Gas from the Innovative Green Coke Calcining Process in Fluidized Bed. (Report No. DE-EE0000434). Des Plaines, IL, US: Gas Technology Institute. 2013. — P. 97. — doi.org/10.2172/1123883.

64. Kozlov, A., Chudnovsky, Y., Khinkis, M., Yuan, H., & Zak, M. Advanced Green Petroleum Coke Calcination in an Electrothermal Fluidized Bed Reactor / A. Kozlov, Y. Chudnovsky, M. Khinkis, H. Yuan, M. Zak // EPD Congress, 2014. — P. 45–53. — doi.org/10.1002/9781118889664.ch6.

65. Федоров С. С. Выбор размеров рабочего пространства электротермических печей кипящего слоя для переработки углеродных материалов / С. С. Федоров, М. В. Губинский, С. Н. Форись // Металлургическая и горнорудная промышленность. — 2014. — № 4. — C. 87–90.

66. Fedorov S. S. Mathematical simulation of the structural properties of packed and fluidized beds / S. S. Fedorov, M. V. Gubinskii, S. N. Foris // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. — 2016. — Vol. 89 (3). — P. 627–635.

Повна стаття (PDF)

---