Than chì, như một dạng thù hình của cacbon, có nhiều tính chất đặc biệt do cấu trúc tinh thể độc đáo của nó. Các tinh thể than chì thuộc hệ lục giác và có sự sắp xếp theo lớp. Trong mỗi lớp, các nguyên tử cacbon được kết nối với nhau theo một cách sắp xếp độc đáo, với sáu nguyên tử cacbon tạo thành các vòng lục giác đều trên cùng một mặt phẳng và mỗi nguyên tử cacbon được bao quanh bởi ba nguyên tử cacbon liền kề. Hai electron 2p vuông góc với mặt phẳng nguyên tử carbon, không tham gia quá trình lai hóa, có thể di chuyển tự do trong mạng tinh thể và chồng lên nhau để tạo thành liên kết π, do đó tạo ra than chì có tính dẫn điện và nhiệt tốt.
Than chì là một chất dẫn điện tuyệt vời, không chỉ có tính dẫn nhiệt tốt mà còn có tính dẫn điện vượt trội. Đồng thời, nó thể hiện độ cứng và độ bền cao đều đặn, duy trì các đặc tính chắc chắn và ổn định ngay cả trong-môi trường nhiệt độ cao vượt quá 3600 độ. Than chì cũng rất được ưa chuộng vì đặc tính bôi trơn tuyệt vời, tính trơ hóa học và khả năng chống ăn mòn, khiến nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực [3].
Dựa trên các dạng tinh thể khác nhau của than chì tự nhiên, nó có thể được phân loại công nghiệp thành than chì tinh thể và than chì aphanitic (vô định hình). Trong số này, than chì kết tinh có độ kết tinh tốt hơn có thể được chia thành than chì cục (than chì tinh thể lớn) và than chì vảy.
Than chì vảy thường xuất hiện dưới dạng các tinh thể riêng lẻ hoặc dưới dạng các tinh thể song song mọc xen kẽ ở dạng tấm mỏng và vảy. Dạng tinh thể của nó thường phát triển tốt và thường xuất hiện dưới dạng khối kết tụ, với kích thước hạt tinh thể thường vượt quá 1 μm. Quặng than chì vảy được khai thác tự nhiên có cấp độ tương đối thấp, nhưng so với các loại than chì khác, nó thể hiện khả năng nổi, độ bôi trơn và độ dẻo vượt trội, thường mang lại giá trị kinh tế cao hơn cho than chì vảy. Than chì cục thường có hàm lượng carbon khoảng 60% -65%, một số đạt trên 80%, nhưng độ dẻo và độ bôi trơn của nó kém hơn so với than chì vảy.
Do độ kết tinh kém, hình thái tinh thể của than chì aphanitic chỉ có thể nhìn thấy được dưới kính hiển vi điện tử và nó có vẻ giống đất khi nhìn bằng mắt thường; do đó, nó còn được gọi là than chì đất, vô định hình hoặc vi tinh thể. Than chì Aphanitic có độ bóng tương đối thấp và độ bôi trơn của nó không thể so sánh với than chì vảy. Tuy nhiên, điểm của nó nhìn chung cao hơn, thậm chí một số đạt trên 90% [4].
2. Ứng dụng của than chì
Than chì tự nhiên sở hữu các đặc tính hóa lý tuyệt vời, dẫn đến nhiều ứng dụng. Nó đóng một vai trò quan trọng và không thể thay thế trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm luyện kim, bôi trơn, làm kín, năng lượng hạt nhân và lưu trữ năng lượng.
Trong ngành luyện kim, than chì tự nhiên là nguyên liệu thô cốt lõi cho các ứng dụng vật liệu chịu lửa và đúc. Tận dụng khả năng dẫn điện tốt và khả năng chịu nhiệt độ-cao, điện cực than chì đóng vai trò là thành phần chính trong quá trình sản xuất thép bằng lò hồ quang điện, thích ứng một cách đáng tin cậy với các điều kiện nấu chảy ở nhiệt độ-cao. Đồng thời, vật liệu chịu lửa làm từ than chì-với khả năng chịu nhiệt độ-và khả năng chống xói mòn cao đáng tin cậy, được sử dụng rộng rãi làm kết cấu lớp lót trong thép, luyện kim loại màu không-và nhiều lò luyện kim nhiệt độ-cao khác nhau, khiến chúng trở thành vật liệu cơ bản không thể thiếu cho ngành luyện kim [5].
Trong lĩnh vực bôi trơn, dầu nhớt là thứ không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại, được sử dụng trong ô tô, tàu thủy, máy bay, máy công cụ. Trong một số điều kiện đặc biệt nhất định, chẳng hạn như nhiệt độ cao, hiệu suất của dầu bôi trơn có thể bị giảm đáng kể, thường dẫn đến độ bôi trơn không đủ. Lực liên kết giữa các lớp than chì yếu nên dễ trượt dưới tác dụng của ngoại lực; do đó, than chì có đặc tính bôi trơn tuyệt vời và là chất bôi trơn rắn lý tưởng. Hơn nữa, do khả năng chịu nhiệt độ-cao, chất bôi trơn gốc than chì-có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, đạt được kết quả tốt [6].
Trong lĩnh vực bịt kín, vật liệu bịt kín bằng than chì nhờ khả năng chống ăn mòn vượt trội, khả năng chịu nhiệt-cao và độ ổn định về cấu trúc nên được ứng dụng rộng rãi trong các ngành như kỹ thuật hóa học, máy móc và điện tử. Dựa trên cấu trúc lớp độc đáo và đặc tính bịt kín tốt, than chì tự nhiên có thể thích ứng hiệu quả với các điều kiện bịt kín trong các thiết bị cơ khí khác nhau, duy trì hiệu suất ổn định trong môi trường phức tạp và khắc nghiệt và kéo dài đáng kể tuổi thọ của các bộ phận bịt kín [5]. Ngoài ra, việc nén than chì xốp, có năng lượng-bề mặt-năng suất cao có thể tạo ra các tấm than chì dẻo. Do có-khả năng chịu nhiệt độ cao, khả năng chống ăn mòn, độ ổn định hóa học và độ bền cơ học nhất định, những tấm này có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện đặc biệt, khiến than chì dẻo được mệnh danh là "vua hàn kín" [6].
Trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân, than chì tự nhiên có độ tinh khiết cao-là nguyên liệu thô cốt lõi để sản xuất bộ điều tiết neutron trong lò phản ứng hạt nhân. Hiệu suất điều tiết neutron tuyệt vời và độ ổn định cấu trúc ở nhiệt độ-cao khiến nó trở thành vật liệu chính cho các nhà máy điện hạt nhân và cơ sở nghiên cứu hạt nhân. Trong các loại lò phản ứng hạt nhân cụ thể, than chì tự nhiên cũng có thể đóng vai trò là vật liệu cấu trúc, tận dụng độ bền cơ học tốt, khả năng chống bức xạ và-khả năng chịu nhiệt độ cao để duy trì hoạt động ổn định, lâu dài trong các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao và bức xạ cường độ cao mà không dễ bị biến dạng hoặc hư hỏng, do đó đảm bảo vận hành an toàn của thiết bị hạt nhân [5].
Trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng, với sự phát triển nhanh chóng của ngành năng lượng mới, nhu cầu thị trường về than chì tự nhiên tiếp tục mở rộng. Sự tăng trưởng nhanh chóng của ngành công nghiệp pin lithium đã thúc đẩy đáng kể nhu cầu thị trường về vật liệu cực dương và than chì tự nhiên, với đặc tính điện hóa độc đáo, là nguyên liệu thô được ưa chuộng để sản xuất cực dương của pin lithium. Hiện tại, nhiều lĩnh vực như phương tiện năng lượng mới, trạm gốc thông tin di động và lưới điện siêu nhỏ dựa vào pin lithium làm nguồn năng lượng cốt lõi, điều này đảm bảo rằng vật liệu cực dương của pin lithium than chì sẽ tiếp tục có khả năng cạnh tranh mạnh mẽ trong ngành trên thị trường năng lượng mới trong tương lai [7].
3. Phương pháp tinh chế than chì
Hiện nay, các phương pháp tinh chế than chì tự nhiên có thể được phân loại thành phương pháp vật lý và hóa học. Trong số đó, các phương pháp tinh chế vật lý chủ yếu bao gồm phương pháp tuyển nổi và phương pháp nhiệt độ cao-; phương pháp tinh chế hóa học bao gồm phương pháp axit-kiềm, phương pháp axit hydrofluoric và phương pháp rang clo hóa.
3.1 Phương pháp tuyển nổi
Phương pháp tuyển nổi là một quá trình xử lý khoáng sản nhằm tách các khoáng chất rắn khỏi huyền phù nước dựa trên sự khác biệt về tính chất vật lý và hóa học bề mặt của chúng. Bề mặt của than chì không dễ bị nước làm ướt, mang lại khả năng nổi tốt và cho phép dễ dàng tách khỏi tạp chất, khiến nó thích hợp để tinh chế thông qua quá trình tuyển nổi [8].
Quy trình tổng thể của phương pháp tuyển nổi chủ yếu bao gồm ba bước cốt lõi: nghiền, tách tuyển nổi và tuần hoàn chất trung gian. Đầu tiên, quặng than chì thô tự nhiên được nghiền nát. Thông qua quá trình nghiền cơ học, việc giải phóng sơ bộ các monome than chì khỏi tạp chất gangue đã đạt được, đặt nền tảng cho các hoạt động tách tiếp theo. Sau khi nghiền, bột than chì được trộn và ngâm với thuốc thử hóa học cụ thể. Thông qua việc sửa đổi thuốc thử, sự khác biệt về sức căng bề mặt của than chì được tối ưu hóa, mở rộng khoảng cách nổi giữa than chì và khoáng chất tạp chất, đồng thời tạo điều kiện để loại bỏ tạp chất hiệu quả. Sau đó, một quy trình tuyển nổi kết hợp bao gồm nhiều giai đoạn thô, nhặt rác và làm sạch được sử dụng để loại bỏ dần dần các thành phần tạp chất khỏi bột giấy, làm tăng hiệu quả độ tinh khiết của cô đặc than chì. Trong quá trình tuyển nổi, thuốc thử tuyển nổi thích hợp được thêm vào để cải thiện hơn nữa khả năng nổi của than chì và nâng cao hiệu quả tách. Các chất thu gom công nghiệp thường được sử dụng bao gồm dầu diesel, dầu hỏa, dầu thông, v.v. [9].
Phương pháp tuyển nổi, là bước đầu tiên trong quá trình tinh chế than chì, chủ yếu được áp dụng cho quá trình tiền xử lý than chì vảy-có hàm lượng cacbon thấp,{1}}lớn. Quá trình này có hệ thống công nghệ hoàn thiện, thiết bị hỗ trợ đơn giản, mức tiêu thụ năng lượng tổng thể thấp và chi phí sản xuất có thể kiểm soát được, mang lại lợi ích kinh tế đáng kể. Đây là công nghệ tinh chế than chì thô-có hiệu quả về mặt chi phí cao trong các ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, phương pháp tuyển nổi có những hạn chế đáng chú ý và không phù hợp để tinh chế hiệu quả than chì vi tinh thể. So với than chì tinh thể, than chì vi tinh thể thường có hàm lượng tạp chất tổng thể thấp hơn, nhưng trạng thái xuất hiện tạp chất duy nhất của nó hạn chế đáng kể hiệu quả của việc loại bỏ tạp chất tuyển nổi. Các hạt than chì vi tinh thể cực kỳ mịn và liên kết chặt chẽ với các khoáng chất gangue, thường được nhúng trong các khoáng sét. Trong quá trình nghiền, rất khó để đạt được sự giải phóng đủ các monome than chì khỏi tạp chất, dẫn đến hiệu quả tách tuyển nổi giảm đáng kể. Cuối cùng, rất khó thu được tinh quặng than chì có độ tinh khiết cao, không đáp ứng được yêu cầu của các ứng dụng công nghiệp cao cấp. Tóm lại, quy trình tuyển nổi than chì chỉ có thể đóng vai trò là phương pháp tinh chế sơ cấp, chủ yếu được sử dụng để loại bỏ hầu hết các tạp chất dễ tách khỏi quặng than chì thô, giảm hiệu quả mức tiêu thụ thuốc thử và thất thoát năng lượng trong các quá trình tinh chế sâu tiếp theo và cung cấp cơ sở nguyên liệu thô chất lượng cao để tinh chế thêm [10-11].
3.2 Phương pháp nhiệt độ-cao
Phương pháp nhiệt độ-cao tận dụng sự khác biệt về điểm sôi giữa than chì (điểm nóng chảy cao) và tạp chất (điểm sôi thấp hơn). Dưới sự bảo vệ của bầu không khí trơ, nhiệt độ được kiểm soát trong phạm vi thích hợp, làm cho các tạp chất có điểm-sôi- thấp hơn như oxit kim loại và silicat bay hơi và thoát ra trước, trong khi cacbon có điểm-nóng chảy-cao vẫn ở dạng rắn, do đó đạt được sự phân tách và tinh chế sâu [12].
Nguyên liệu thô được sử dụng trong phương pháp-nhiệt độ cao thường là các chất cô đặc than chì thu được sau quá trình tinh chế tuyển nổi hoặc than chì cacbon-cao thu được sau khi tinh chế hóa học, với hàm lượng cacbon thường dao động từ 95% đến 99% [13]. Phương pháp này có thể đạt được độ tinh khiết của than chì khoảng 99,995%. Mặc dù nó có thể loại bỏ hiệu quả các tạp chất bám trong mạng than chì mà không phá hủy cấu trúc than chì, cải thiện chất lượng sản phẩm một cách hiệu quả, nhưng nó thường chỉ áp dụng cho-các lĩnh vực công nghệ cao cấp như quốc phòng, công nghiệp hạt nhân và hàng không vũ trụ. Điều này là do nhược điểm của phương pháp này rất lớn: nó đòi hỏi thiết bị đòi hỏi khắt khe, mức tiêu thụ năng lượng cao, đồng thời đòi hỏi chi phí vận hành và đầu tư đáng kể, khiến phương pháp này không thuận lợi cho việc sản xuất quy mô lớn và chủ yếu phục vụ các sản phẩm than chì cao cấp [12].
3.3 Phương pháp axit-kiềm
Phương pháp axit-kiềm, bao gồm hai quá trình-tổng hợp kiềm và lọc axit-theo trình tự theo quy trình công nghiệp, là một phương pháp tương đối hiệu quả để tinh chế than chì tự nhiên. Quá trình tổng hợp kiềm: Tận dụng khả năng kháng axit và kiềm của than chì, than chì và kiềm được trộn đều theo một tỷ lệ nhất định rồi nung ở nhiệt độ cao. Ở trạng thái nóng chảy, các tạp chất như aluminosilicate, thạch anh và silicat trong than chì phản ứng hóa học với chất kiềm, tạo thành silicat hòa tan trong axit hoặc hòa tan trong nước-, sau đó được loại bỏ bằng cách rửa bằng nước. Quá trình lọc bằng axit: Than chì và hydroxit nung chảy-kiềm được ngâm trong nước nóng bằng dung dịch axit clohydric có nồng độ cụ thể, chuyển đổi oxit kim loại thành muối hòa tan. Cuối cùng, thông qua các quá trình như rửa và khử nước, thu được than chì tinh khiết.
Hiện nay, phương pháp axit-kiềm là phương pháp tinh chế thường được các nhà sản xuất than chì có độ tinh khiết cao-ở Trung Quốc áp dụng. Ưu điểm lớn nhất của nó bao gồm đầu tư ban đầu thấp, thiết bị phản ứng đơn giản, tính linh hoạt mạnh mẽ, khả năng thích ứng quy trình tốt, độ tinh khiết và cấp độ tương đối cao của sản phẩm thu được. Nhược điểm là cần phải nung ở nhiệt độ cao, hao mòn năng lượng và thiết bị đáng kể, hiệu suất tinh chế tương đối thấp, thất thoát đáng kể các khoáng chất có giá trị và tiềm ẩn ô nhiễm môi trường [14].
3.4 Phương pháp axit flohydric
Axit flohydric (HF) là một axit mạnh có thể phản ứng với hầu hết các tạp chất trong than chì. Tuy nhiên, than chì thường có khả năng kháng axit tốt ở nhiệt độ phòng và ổn định về mặt hóa học, đặc biệt ở chỗ nó không phản ứng với axit hydrofluoric. Bằng cách ngâm than chì trong axit hydrofluoric, cho phép phản ứng theo thời gian, sau đó rửa và lọc, than chì sẽ có-độ tinh khiết tương đối cao.
Quá trình tinh chế bằng phương pháp axit hydrofluoric có thể loại bỏ hầu hết tạp chất khỏi than chì, mang lại than chì có độ tinh khiết cao-với chi phí thấp. Đây là một trong những phương pháp đơn giản và hiệu quả hơn để tinh chế than chì. Tuy nhiên, axit hydrofluoric có độc tính cao, gây ra những mối nguy hiểm đáng kể về an toàn trong quá trình sản xuất, điều này cản trở việc áp dụng và ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp [15].
3.5 Phương pháp rang bằng clo
Phương pháp rang clo hóa bao gồm việc thêm một lượng chất khử nhất định (khí clo, carbon tetrachloride) vào than chì và nung ở nhiệt độ cao trong một bầu không khí cụ thể. Các tạp chất oxit phản ứng với khí clo trong phản ứng clo hóa, chuyển chúng thành clorua. Các tạp chất như silicat, aluminosilicate và thạch anh trong than chì phân hủy thành các oxit như silicon dioxide, oxit nhôm, oxit sắt và oxit canxi khi đun nóng ở nhiệt độ-cao. Vì điểm sôi của các clorua này tương đối thấp nên chúng bay hơi và thoát ra trong quá trình rang-ở nhiệt độ cao, nhờ đó loại bỏ và tinh chế tạp chất.
Phương pháp rang clo hóa loại bỏ tạp chất bằng cách thêm các khí khử như clo để chuyển tạp chất thành dạng clorua. Phương pháp này mang lại hiệu quả thanh lọc cao và tỷ lệ thu hồi tốt. Tuy nhiên, khí clo là một loại khí độc hại có hại cho môi trường và quá trình này có đặc điểm là không ổn định, hạn chế sự phát triển của nó [16].