[发明专利]由生物质的石墨生产

说明书

技术领域

本发明涉及从生物质、炭或焦油生产石墨的方法。

背景技术

石墨是结晶碳的四种同素异形体之一；其他是碳纳米管、金刚石和富勒烯。在石墨中，碳原子在层的平面稠环系统中以平行堆叠的六边形排列的碳原子层密集排列。当石墨结构仅为单原子厚的平板时，它称为石墨烯。层以三维结晶长程有序彼此平行地堆叠。存在具有不同堆叠排列的两种同素异形体：六边形和菱形。石墨在颜色中是灰色至黑色、不透明的且通常具有金属光泽；有时它显示出暗淡的土质光泽。石墨在变质岩中天然存在，并且是显示出完美的基底(单面)解理的柔软矿物质(具有1至2的摩氏硬度)。石墨是柔性而不是弹性的，具有3,927℃的熔点，并且是高度耐火的(即它在高温下是稳定的且保持其强度)。石墨是非金属中最导电和导热的，并且是化学惰性的。组合的所有这些性质使得石墨对于许多工业应用是期望的，并且天然和合成石墨两者均具有工业用途(Olson 2012.U.S.Geological Survey Minerals Yearbook，第32.1页)。

以按吨位的递减顺序，2013年石墨的主要用途为耐火材料应用(炉衬)、炼钢、制动衬片、铸造作业、电池和润滑剂。这些用途消耗了在2013年期间使用的总天然石墨的70％。

存在三个类型的天然石墨—无定形、片状/结晶片状和脉/块状。无定形石墨是质量最低且最丰富的。无定形指其非常小的晶体尺寸，而不是指缺乏晶体结构。无定形用于较低价值石墨产品，并且是价格最低的石墨。在中国、欧洲、墨西哥和美国发现大量无定形石墨矿床。石墨的片状或晶状形式由堆叠在一起的许多石墨烯片组成。片状或结晶片状石墨比无定形更不常见且质量更高。片状石墨作为在变质岩中结晶的分开薄片出现，并且可为无定形价格的四倍。优质的薄片可加工成可膨胀石墨用于许多用途，例如阻燃剂。第一流的矿床在奥地利、巴西、加拿大、中国、德国和马达加斯加发现。脉或块状石墨是天然石墨中最稀有、最有价值和质量最高的类型。它以固体块沿侵入性接触在脉中出现，并且它仅在斯里兰卡商业开采(Moores，2007；China draws in the West:Industrial Minerals，第481期，第38-51页)。

天然石墨从露天矿和地下矿井作业开采。石墨的选矿工艺从在欧洲和美国矿场的复杂四阶段浮选到在斯里兰卡开采的高档矿石的简单手工分选和筛选。某些软石墨矿石，如在马达加斯加发现的那些，不需要粗碎和研磨。通常，这种矿石含有最高比例的粗糙薄片。

生产合成石墨的首个工艺由Edward Goodrich Acheson于19世纪90年代中期发明。他发现通过将金刚砂加热到以约4,150℃的高温，硅蒸发并且留下石墨。携带在电弧炉中使废铁和废钢或直接还原铁熔融的电的合成石墨电极由与煤焦油沥青混合的石油焦制成。将混合物挤出并且成形，然后焙烧以使沥青碳化，并且最后通过将其加热到接近3,000℃的温度石墨化，以将碳转换成石墨。合成石墨粉末通过在石墨化的温度(3,000℃)以上加热粉末状石油焦制成。

混合和电动车辆的制造和销售中的预期增加可能增加对燃料电池和电池应用中的高纯度石墨的需求。燃料电池是潜在高增长、大容量石墨(天然和合成)的最终用途。由于便携式电子产品中的增长，电池预期成为增长最快的最终用途部门，所述便携式电子产品需要更大、更大功率和更石墨密集的电池。在这些电池中使用合成和天然石墨两者，但是与大多数天然石墨相比，合成石墨具有天然更好的导电性，因此优选用于电池中。

预期制动衬片和其他摩擦材料随着新汽车生产不断增加而稳定地使用更多的天然石墨，并且越来越多的车辆需要更多的更换零件。天然石墨(无定形和细片)用作比汽车和轻型卡车更重的车辆的制动衬片中石棉的替代物。

专业和高科技应用(如先进的碳石墨复合材料和锂离子电池)需要比天然石墨矿床中通常发现的更高纯度和更一致的产品。合成石墨生产技术中的近期进展已允许生产专门的混合形式的合成石墨，其赋予期望性质。这些特别可用于锂离子电池例如电动车辆中使用的那些。

对目前的温室气体排放量以及这些可对全球气候具有的作用存在相当大的担忧。二氧化碳(CO₂)是驱动人为气候变化的主要温室气体，并且代表全球生成的所有温室气体的70％左右。为了实现二氧化碳的持续减少，将需要全世界的化石燃料使用模式中的广泛变化。例如，需要促进使用可再生能源、以及提高能源效率和开发化石燃料替代品。