Grafite - Graphite

Grafite
Graphite-233436.jpg
Espécime de grafite
Em geral
Categoria Mineral nativo
Fórmula
(unidade de repetição)
C
Classificação de Strunz 1.CB.05a
Sistema de cristal Hexagonal
Classe de cristal Dipiramidal dihexagonal (6 / mmm)
notação de Hermann-Mauguin : (6 / m 2 / m 2 / m)
Grupo espacial P 6 3 mc (curvado) P 6 3 / mmc (plano)
Célula unitária a = 2,461, c = 6,708 [Å]; Z  = 4
Identificação
Cor Preto-ferro a cinza-aço; azul profundo na luz transmitida
Hábito de cristal Massas foliadas tabulares de seis lados , massas granulares a compactadas
Geminação Presente
Decote Basal - perfeito em {0001}
Fratura Escamoso, caso contrário, áspero quando não estiver em clivagem
Tenacidade Flexível não elástico, séctil
Dureza da escala de Mohs 1-3
Brilho Metálico, terroso
Onda Preto
Diafaneidade Opaco, transparente apenas em flocos extremamente finos
Gravidade Específica 1,9-2,3
Densidade 2,09–2,23 g / cm 3
Propriedades ópticas Uniaxial (-)
Pleocroísmo Forte
Solubilidade Solúvel em níquel fundido , ácido clorossulfúrico quente
Outras características fortemente anisotrópico, conduz eletricidade, sensação oleosa, marca facilmente
Referências

Grafite ( / ɡ r ul f ˌ t / ), arcaicamente referido como grafite , é um cristalino forma do elemento de carbono com os seus átomos dispostos numa estrutura hexagonal . Ocorre naturalmente nesta forma e é a forma mais estável de carbono nas condições padrão . Sob altas pressões e temperaturas, ele se converte em diamante . O grafite é usado em lápis e lubrificantes. É um bom condutor de calor e eletricidade. Sua alta condutividade o torna útil em produtos eletrônicos, como eletrodos , baterias e painéis solares .

Tipos e variedades

Os principais tipos de grafite natural, cada um ocorrendo em diferentes tipos de depósitos de minério , são

Ocorrência

Grafite ocorre em rochas metamórficas como resultado da redução de compostos de carbono sedimentares durante o metamorfismo . Também ocorre em rochas ígneas e em meteoritos . Os minerais associados à grafita incluem quartzo , calcita , micas e turmalina . As principais fontes de exportação de grafite extraído estão em ordem de tonelagem: China, México, Canadá, Brasil e Madagascar.

Em meteoritos , o grafite ocorre com minerais troilita e silicato . Pequenos cristais grafíticos no ferro meteorítico são chamados de cliftonita . Alguns grãos microscópicos têm composições isotópicas distintas , indicando que foram formados antes do sistema solar . Eles são um dos cerca de 12 tipos conhecidos de minerais anteriores ao Sistema Solar e também foram detectados em nuvens moleculares . Esses minerais foram formados no material ejetado quando supernovas explodiram ou estrelas de tamanho baixo a intermediário expulsaram seus envoltórios externos no final de suas vidas. O grafite pode ser o segundo ou terceiro mineral mais antigo do Universo.

Propriedades

Estrutura

Densidade de nuvem de elétrons em grafite visualizada com resolução de 10 pm por meio do efeito de deslocamento do feixe de elétrons . Dois elétrons de cada átomo formam o orbital atômico esférico interno (rosa); três outros elétrons ocupam orbitais híbridos sp 2 dentro dos planos densos e fazem fortes ligações σ entre átomos vizinhos (verde); o sexto elétron ocupa o orbital p z protuberante que forma ligações π fracas (azul-petróleo). O espaço entre as camadas é principalmente preto, significando densidade zero das nuvens de elétrons.

O carbono sólido vem em diferentes formas conhecidas como alótropos, dependendo do tipo de ligação química. Os dois mais comuns são diamante e grafite (os menos comuns incluem buckminsterfullereno ). No diamante, as ligações são híbridos orbitais sp 3 e os átomos formam tetraedros com cada um ligado a quatro vizinhos mais próximos. No grafite, eles são híbridos orbitais sp 2 e os átomos se formam em planos com cada um ligado a três vizinhos mais próximos separados por 120 graus.

As camadas individuais são chamadas de grafeno . Em cada camada, os átomos de carbono estão dispostos em uma estrutura em favo de mel com um comprimento de ligação de 0,142 nm, e a distância entre os planos é de 0,335 nm. Os átomos no plano são ligados covalentemente , com apenas três dos quatro locais de ligação potenciais satisfeitos. O quarto elétron está livre para migrar no plano, tornando o grafite eletricamente condutivo. A união entre as camadas ocorre por meio de ligações de van der Waals fracas , que permitem que as camadas de grafite sejam facilmente separadas ou deslizem umas sobre as outras. A condutividade elétrica perpendicular às camadas é conseqüentemente cerca de 1000 vezes menor.

As duas formas conhecidas de grafite, alfa ( hexagonal ) e beta ( romboédrica ), têm propriedades físicas muito semelhantes, exceto que as camadas de grafeno empilham de forma diferente: empilhamento em alfa grafite é ABA, em oposição ao empilhamento ABC em energeticamente menos estável e menos comum grafite beta. A forma alfa pode ser convertida para a forma beta por meio de tratamento mecânico e a forma beta reverte para a forma alfa quando é aquecida acima de 1300 ° C.

Termodinâmica

Diagrama de fase do carbono teoricamente previsto

As condições de equilíbrio de pressão e temperatura para uma transição entre grafite e diamante estão bem estabelecidas teórica e experimentalmente. A pressão muda linearmente entre1,7  GPa em0 K e12 GPa em5000 K (diamante / grafite / ponto triplo líquido ). Porém, as fases possuem uma ampla região sobre esta linha onde podem coexistir. Em temperatura e pressão normais , 20 ° C (293 K) e 1 atmosfera padrão (0,10 MPa), a fase estável do carbono é grafite, mas o diamante é metaestável e sua taxa de conversão em grafite é insignificante. No entanto, em temperaturas acima de cerca de4500 K , o diamante se converte rapidamente em grafite. A conversão rápida de grafite em diamante requer pressões bem acima da linha de equilíbrio: em2000 K , uma pressão de35 GPa é necessário.

Outras propriedades

Placas e folhas de grafite, com 10–15 cm de altura; espécime mineral de Kimmirut, Ilha Baffin

As propriedades acústicas e térmicas do grafite são altamente anisotrópicas , uma vez que os fônons se propagam rapidamente ao longo dos planos estreitamente ligados, mas são mais lentos para viajar de um plano para outro. A alta estabilidade térmica e condutividade elétrica e térmica do grafite facilitam seu amplo uso como eletrodos e refratários em aplicações de processamento de materiais em alta temperatura. No entanto, em atmosferas contendo oxigênio, o grafite oxida prontamente para formar dióxido de carbono a temperaturas de 700 ° C e acima.

Volume molar contra pressão em temperatura ambiente

O grafite é um condutor elétrico, portanto, útil em aplicações como eletrodos de lâmpada de arco . Ele pode conduzir eletricidade devido à vasta deslocalização de elétrons dentro das camadas de carbono (um fenômeno chamado aromaticidade ). Esses elétrons de valência são livres para se mover, portanto, são capazes de conduzir eletricidade. No entanto, a eletricidade é conduzida principalmente dentro do plano das camadas. As propriedades condutoras do grafite em pó permitem seu uso como sensor de pressão em microfones de carbono .

Grafite e pó de grafite são valorizados em aplicações industriais por suas propriedades autolubrificantes e lubrificantes a seco . Há uma crença comum de que as propriedades lubrificantes do grafite são devidas exclusivamente ao acoplamento interlamelar frouxo entre as folhas na estrutura. No entanto, foi demonstrado que em um ambiente de vácuo (como em tecnologias para uso no espaço ), o grafite se degrada como lubrificante, devido às condições de hipóxia. Essa observação levou à hipótese de que a lubrificação se deve à presença de fluidos entre as camadas, como ar e água, que são naturalmente adsorvidos do meio ambiente. Essa hipótese foi refutada por estudos que mostram que o ar e a água não são absorvidos. Estudos recentes sugerem que um efeito chamado superlubricidade também pode ser responsável pelas propriedades lubrificantes do grafite. O uso de grafite é limitado por sua tendência de facilitar a corrosão por pite em alguns aços inoxidáveis e de promover a corrosão galvânica entre metais diferentes (devido à sua condutividade elétrica). Também é corrosivo para o alumínio na presença de umidade. Por esse motivo, a Força Aérea dos Estados Unidos proibiu seu uso como lubrificante em aeronaves de alumínio e desencorajou seu uso em armas automáticas contendo alumínio. Mesmo marcas de lápis de grafite em peças de alumínio podem facilitar a corrosão. Outro lubrificante de alta temperatura, o nitreto de boro hexagonal , tem a mesma estrutura molecular do grafite. Às vezes é chamado de grafite branca , devido às suas propriedades semelhantes.

Quando um grande número de defeitos cristalográficos unem esses planos, o grafite perde suas propriedades de lubrificação e se torna o que é conhecido como grafite pirolítica . Também é altamente anisotrópico e diamagnético , portanto, flutua no ar acima de um ímã forte. Se for feito em um leito fluidizado a 1000–1300 ° C, então é isotrópico turboestrático e é usado em dispositivos de contato com o sangue, como válvulas cardíacas mecânicas, e é chamado de carbono pirolítico , e não é diamagnético. Grafite pirolítica e carbono pirolítico são freqüentemente confundidos, mas são materiais muito diferentes.

Grafites naturais e cristalinos não são frequentemente usados ​​na forma pura como materiais estruturais, devido aos seus planos de cisalhamento, fragilidade e propriedades mecânicas inconsistentes.

História do uso de grafite natural

No 4º milênio AEC , durante o Neolítico no sudeste da Europa, a cultura Marița usava grafite em uma tinta de cerâmica para decorar a cerâmica .

Montanha de Gray Knotts no distrito do lago inglês . A mina de grafite ficava no vale à esquerda; a aldeia de Seatoller pode ser vista à direita.

Algum tempo antes de 1565 (algumas fontes dizem que já em 1500), um enorme depósito de grafite foi descoberto na abordagem de Gray Knotts do vilarejo de Seathwaite na paróquia de Borrowdale , Cumbria, Inglaterra , que os habitantes locais acharam útil para marcar ovelhas. Durante o reinado de Elizabeth I (1558–1603), o grafite de Borrowdale foi usado como material refratário para revestir moldes para balas de canhão, resultando em bolas mais arredondadas e suaves que podiam ser disparadas mais longe, contribuindo para o fortalecimento da marinha inglesa. Esse depósito específico de grafite era extremamente puro e macio e podia ser facilmente cortado em palitos. Devido à sua importância militar, esta mina única e sua produção eram estritamente controladas pela Coroa.

Durante o século 19, o uso do grafite se expandiu bastante para incluir polidores de fogão, lubrificantes, tintas, cadinhos, revestimentos de fundição e lápis , um fator importante na expansão das ferramentas educacionais durante o primeiro grande aumento da educação para as massas. O império britânico controlava a maior parte da produção mundial (especialmente do Ceilão), mas a produção dos depósitos austríacos, alemães e americanos se expandiu em meados do século. Por exemplo, a Dixon Crucible Company de Jersey City, New Jersey, fundada por Joseph Dixon e o sócio Orestes Cleveland em 1845, abriu minas no distrito de Lake Ticonderoga em Nova York, construiu uma fábrica de processamento lá e uma fábrica para fabricar lápis e cadinhos e outros produtos em New Jersey, descritos no Engineering & Mining Journal de 21 de dezembro de 1878. O lápis Dixon ainda está em produção.

Anúncio de graxa de madeira grafitada de 1908 na Electric Railway Review

O início do processo revolucionário de flotação de espuma está associado à mineração de grafite. Incluído no artigo da E&MJ sobre a Dixon Crucible Company está um esboço dos "tanques flutuantes" usados ​​no antigo processo de extração de grafite. Como o grafite é muito leve, a mistura de grafite e resíduos foi enviada para uma série final de tanques de água, onde um grafite mais limpo “flutuou”, deixando resíduos para cair. Em uma patente de 1877, os dois irmãos Bessel (Adolph e August) de Dresden, Alemanha, levaram esse processo de "flutuação" um passo adiante e adicionaram uma pequena quantidade de óleo aos tanques e ferveram a mistura - uma etapa de agitação ou espuma - para coletar o grafite, os primeiros passos para o futuro processo de flotação. Adolph Bessel recebeu a Medalha Wohler pelo processo patenteado que elevou a recuperação de grafite para 90% do depósito alemão. Em 1977, a Sociedade Alemã de Engenheiros de Minas e Metalúrgicos organizou um simpósio especial dedicado à sua descoberta e, portanto, ao 100º aniversário da flotação.

Nos Estados Unidos, em 1885, Hezekiah Bradford, da Filadélfia, patenteou um processo semelhante, mas é incerto se seu processo foi usado com sucesso nos depósitos de grafite próximos do Condado de Chester, Pensilvânia, um grande produtor na década de 1890. O uso do processo de Bessel era limitado, principalmente por causa dos abundantes depósitos de limpeza encontrados em todo o mundo, que não precisavam de muito mais do que separação manual para coletar o grafite puro. O estado da arte, ca. 1900, é descrito no relatório do Departamento Canadense de Minas sobre minas e mineração de grafite, quando os depósitos canadenses começaram a se tornar importantes produtores de grafite.

Outros nomes

Historicamente, o grafite era chamado de chumbo preto ou plumbago . O plumbago era comumente usado em sua forma mineral maciça . Ambos os nomes surgem da confusão com os minérios de chumbo de aparência semelhante , particularmente galena . A palavra latina para o chumbo, plumbum , deu seu nome ao termo Inglês para este cinza mineral sheened-metálicos e até mesmo para os leadworts ou Plumbagos , plantas com flores que se assemelham a essa cor.

O termo chumbo preto geralmente se refere a uma grafite em pó ou processada, de cor preta fosca.

Abraham Gottlob Werner cunhou o nome grafite ("pedra de escrever") em 1789. Ele tentou esclarecer a confusão entre molibdena, plumbago e chumbo negro depois que Carl Wilhelm Scheele em 1778 provou que existem pelo menos três minerais diferentes. A análise de Scheele mostrou que os compostos químicos sulfeto de molibdênio ( molibdenita ), sulfeto de chumbo (II) ( galena ) e grafita eram três minerais negros macios diferentes.

Usos de grafite natural

O grafite natural é usado principalmente em refratários, baterias, siderurgia, grafite expandida, lonas de freio, revestimentos de fundição e lubrificantes.

Refratários

O uso de grafite como material refratário ( resistente ao calor) começou antes de 1900 com cadinhos de grafite usados ​​para segurar metal fundido; esta é agora uma pequena parte dos refratários . Em meados da década de 1980, o tijolo de carbono- magnesita tornou-se importante e, um pouco mais tarde, a forma de alumina-grafite. A partir de 2017, a ordem de importância é: formas de alumina-grafite, tijolo de carbono-magnesita, monolíticos (misturas de projeção e compactação) e, a seguir, cadinhos.

Os cadinhos começaram a usar grafite em flocos muito grandes e tijolos de magnesita de carbono exigindo grafite em flocos não tão grande; para estes e outros, agora há muito mais flexibilidade no tamanho do floco necessário, e a grafite amorfa não está mais restrita a refratários de baixo custo. As formas de alumina-grafite são usadas como utensílios de fundição contínua, como bicos e calhas, para transportar o aço fundido da panela para o molde, e tijolos de magnesita de carbono, conversores de aço e fornos elétricos a arco para resistir a temperaturas extremas. Os blocos de grafite também são usados ​​em peças de revestimentos de alto-forno, onde a alta condutividade térmica da grafite é crítica para garantir o resfriamento adequado do fundo e da soleira do forno. Monolíticos de alta pureza são frequentemente usados ​​como um revestimento contínuo de fornalha em vez de tijolos de magnesita de carbono.

A indústria de refratários dos Estados Unidos e da Europa teve uma crise em 2000–2003, com um mercado indiferente para o aço e uma queda no consumo de refratários por tonelada de aço subjacente às aquisições de empresas firmes e muitos fechamentos de fábricas. Muitos dos fechamentos de fábricas resultaram da aquisição da Harbison-Walker Refractories pela RHI AG e algumas fábricas tiveram seus equipamentos leiloados. Uma vez que grande parte da capacidade perdida foi para tijolos de magnesita de carbono, o consumo de grafite dentro da área de refratários mudou para formas e monolíticos de grafite de alumina, e longe do tijolo. A principal fonte de tijolos de magnesita de carbono agora são as importações da China. Quase todos os refratários acima são usados ​​para fazer aço e respondem por 75% do consumo de refratários; o restante é utilizado por diversos setores, como o de cimento.

De acordo com o USGS , o consumo de grafite natural dos EUA em refratários foi de 12.500 toneladas em 2010.

Baterias

O uso de grafite em baterias aumentou desde a década de 1970. Grafite natural e sintética é usada como um material de ânodo para construir eletrodos nas principais tecnologias de bateria.

A demanda por baterias, principalmente de níquel-hidreto metálico e baterias de íon-lítio , causou um crescimento na demanda por grafite no final dos anos 1980 e início dos anos 1990 - um crescimento impulsionado por eletrônicos portáteis, como CD players portáteis e ferramentas elétricas . Laptops , telefones celulares , tablets e smartphones aumentaram a demanda por baterias. Prevê-se que as baterias de veículos elétricos aumentem a demanda de grafite. Como exemplo, uma bateria de íon de lítio em um Nissan Leaf totalmente elétrico contém cerca de 40 kg de grafite.

Grafite radioativa de reatores nucleares antigos está sendo pesquisada como combustível. A bateria de diamante nuclear tem potencial para fornecer energia de longa duração para a eletrônica e a internet das coisas.

Siderurgia

O grafite natural na fabricação de aço é usado principalmente para aumentar o teor de carbono no aço fundido; também pode servir para lubrificar as matrizes usadas para extrudar aço quente. Os aditivos de carbono enfrentam preços competitivos de alternativas como pó de grafite sintética, coque de petróleo e outras formas de carbono. Um aumentador de carbono é adicionado para aumentar o conteúdo de carbono do aço a um nível especificado. Uma estimativa com base nas estatísticas de consumo de grafite do USGS indica que as siderúrgicas dos Estados Unidos usaram 10.500 toneladas dessa maneira em 2005.

Lonas de freio

O grafite amorfo natural e em flocos finos são usados ​​em lonas ou sapatas de freio para veículos mais pesados ​​(não automotivos) e se tornaram importantes com a necessidade de substituir o amianto . Esse uso tem sido importante há algum tempo, mas as composições orgânicas sem amianto (NAO) estão começando a reduzir a participação de mercado da grafite. Uma sacudida na indústria de lonas de freio com o fechamento de algumas fábricas não foi benéfica, nem um mercado automotivo indiferente. De acordo com o USGS , o consumo de grafite natural dos EUA em lonas de freio foi de 6.510 toneladas em 2005.

Revestimentos de fundição e lubrificantes

Uma lavagem de molde para fundição é uma tinta à base de água de grafite amorfa ou de flocos finos. Pintar o interior de um molde com ele e deixá-lo secar deixa uma fina camada de grafite que facilitará a separação do objeto fundido depois que o metal quente esfriar. Lubrificantes de grafite são itens especiais para uso em temperaturas muito altas ou muito baixas, como lubrificante de matriz de forjamento, um agente antiaderente, um lubrificante de engrenagens para máquinas de mineração e para lubrificar fechaduras. Ter grafite de baixa granulação, ou melhor ainda, grafite sem granulação (pureza ultra alta), é altamente desejável. Pode ser usado como pó seco, em água ou óleo, ou como grafite coloidal (uma suspensão permanente em um líquido). Uma estimativa com base nas estatísticas de consumo de grafite do USGS indica que 2.200 toneladas foram usadas dessa maneira em 2005. O metal também pode ser impregnado em grafite para criar uma liga autolubrificante para aplicação em condições extremas, como rolamentos para máquinas expostas a altas ou baixas temperaturas.

Lápis

Lápis grafite
Lápis grafite

A capacidade de deixar marcas no papel e em outros objetos deu o nome à grafite, dada em 1789 pelo mineralogista alemão Abraham Gottlob Werner . Origina-se de γράφειν ("graphein") , que significa escrever ou desenhar em grego antigo .

A partir do século 16, todos os lápis eram feitos com grafite natural inglesa, mas a grafite moderna é mais comumente uma mistura de grafite em pó e argila; foi inventado por Nicolas-Jacques Conté em 1795. Não tem relação química com o metal chumbo , cujos minérios tinham aparência semelhante, daí a continuação do nome. Plumbago é outro termo mais antigo para grafite natural usado para desenho , normalmente como um pedaço do mineral sem uma caixa de madeira. O termo desenho de plumbago é normalmente restrito a obras dos séculos XVII e XVIII, principalmente retratos.

Hoje, o lápis ainda é um mercado pequeno, mas significativo, para o grafite natural. Cerca de 7% das 1,1 milhão de toneladas produzidas em 2011 foram destinadas à fabricação de lápis. O grafite amorfo de baixa qualidade é usado e proveniente principalmente da China.

Outros usos

O grafite natural encontrou usos em baterias de zinco-carbono , escovas de motor elétrico e várias aplicações especializadas. Grafite de várias durezas ou suavidades resulta em diferentes qualidades e tons quando usado como um meio artístico . As ferrovias costumam misturar grafite em pó com óleo residual ou óleo de linhaça para criar um revestimento protetor resistente ao calor para as partes expostas da caldeira de uma locomotiva a vapor, como a caixa de fumaça ou a parte inferior da fornalha .

Grafite expandida

A grafite expandida é feita pela imersão de grafite em flocos naturais em um banho de ácido crômico e , em seguida , ácido sulfúrico concentrado , que força os planos da rede cristalina a se separarem, expandindo assim a grafite. A grafite expandida pode ser usada para fazer folha de grafite ou usada diretamente como composto "hot top" para isolar metal derretido em uma concha ou lingotes de aço em brasa e diminuir a perda de calor, ou como barreiras de fogo instaladas em torno de uma porta corta - fogo ou em colares de folha de metal tubo de plástico circundante (durante um incêndio, o grafite se expande e carboniza para resistir à penetração e propagação do fogo) ou para fazer material de vedação de alto desempenho para uso em alta temperatura. Depois de ser transformada em folha de grafite, a folha é usinada e montada nas placas bipolares nas células de combustível . A folha é transformada em dissipadores de calor para laptops, o que os mantém frios enquanto economiza peso, e é transformada em uma folha laminada que pode ser usada em embalagens de válvula ou em juntas. As gaxetas de estilo antigo são agora um membro menor desse grupo: grafite em flocos finos em óleos ou graxas para usos que exigem resistência ao calor. Uma estimativa do GAN do consumo atual de grafite natural dos EUA neste uso final é de 7.500 toneladas.

Grafite intercalada

Estrutura do CaC 6

O grafite forma compostos de intercalação com alguns metais e pequenas moléculas. Nesses compostos, a molécula ou átomo hospedeiro fica "prensado" entre as camadas de grafite, resultando em um tipo de composto com estequiometria variável. Um exemplo proeminente de um composto de intercalação é o grafite de potássio, denotado pela fórmula KC 8 . Alguns compostos de intercalação de grafite são supercondutores . A temperatura de transição mais alta (em junho de 2009) T c = 11,5 K é alcançada em CaC 6 , e aumenta ainda mais sob pressão aplicada (15,1 K a 8 GPa). A capacidade do grafite de intercalar íons de lítio sem danos significativos de inchaço é o que o torna o material anódico dominante em baterias de íon de lítio.

Usos de grafite sintética

Invenção de um processo para produzir grafite sintética

Em 1893, Charles Street de Le Carbone descobriu um processo para fazer grafite artificial. Em meados da década de 1890, Edward Goodrich Acheson (1856–1931) acidentalmente inventou outra maneira de produzir grafite sintética após sintetizar carborundum (carboneto de silício ou SiC ). Ele descobriu que o superaquecimento do carborundum, em oposição ao carbono puro, produzia grafite quase pura. Enquanto estudava os efeitos da alta temperatura no carborundum, ele descobriu que o silício vaporiza a cerca de 4.150 ° C (7.500 ° F), deixando o carbono para trás no carbono grafítico. Este grafite tornou-se valioso como lubrificante.

A técnica de Acheson para a produção de carboneto de silício e grafite é chamada de processo de Acheson . Em 1896, Acheson recebeu uma patente por seu método de sintetizar grafite e, em 1897, iniciou a produção comercial. A Acheson Graphite Co. foi formada em 1899.

Grafite sintética também pode ser preparada a partir de poliimida e comercializada.

Pesquisa científica

Grafite pirolítica altamente orientada (HOPG) é a forma sintética de grafite da mais alta qualidade. É usado em pesquisas científicas, em particular, como um padrão de comprimento para calibração de scanner de microscópio de sonda de varredura .

Eletrodos

Eletrodos de grafite carregam a eletricidade que derrete a sucata de ferro e aço, e às vezes ferro diretamente reduzido (DRI), em fornos elétricos a arco , que são a grande maioria dos fornos siderúrgicos . Eles são feitos de coque de petróleo depois de misturado com piche de alcatrão de carvão . Eles são então extrudados e moldados, depois cozidos para carbonizar o aglutinante (piche) e, finalmente, grafitados por aquecimento a temperaturas próximas de 3000 ° C, nas quais os átomos de carbono se organizam em grafite. Eles podem variar em tamanho até 3,5 m (11 pés) de comprimento e 75 cm (30 pol.) De diâmetro. Uma proporção crescente do aço global é feita usando fornos elétricos a arco, e o próprio forno elétrico a arco está se tornando mais eficiente, produzindo mais aço por tonelada de eletrodo. Uma estimativa com base nos dados do USGS indica que o consumo do eletrodo de grafite foi de 197.000 toneladas em 2005.

A fundição de alumínio eletrolítico também usa eletrodos de carbono grafítico. Em uma escala muito menor, eletrodos de grafite sintético são usados ​​na usinagem por descarga elétrica (EDM), comumente para fazer moldes de injeção de plásticos .

Pó e sucata

O pó é feito aquecendo o coque de petróleo em pó acima da temperatura de grafitização, às vezes com pequenas modificações. A sucata de grafite vem de pedaços de material de eletrodo inutilizável (na fase de fabricação ou após o uso) e tornos, geralmente após a trituração e dimensionamento. A maior parte do pó de grafite sintético vai para o aumento de carbono no aço (competindo com o grafite natural), com alguns usados ​​em baterias e lonas de freio. De acordo com o USGS , a produção de pó e sucata de grafite sintética dos EUA foi de 95.000 toneladas em 2001 (dados mais recentes).

Moderador de nêutrons

Graus especiais de grafite sintética, como Gilsocarbon, também são usados ​​como matriz e moderador de nêutrons em reatores nucleares . Sua seção transversal de nêutrons baixa também o recomenda para uso em reatores de fusão propostos . Deve-se tomar cuidado para que a grafite de nível de reator seja livre de materiais absorventes de nêutrons, como o boro , amplamente utilizado como eletrodo de semente em sistemas comerciais de deposição de grafite - isso causou a falha dos reatores nucleares baseados em grafite da Segunda Guerra Mundial dos alemães . Como não conseguiram isolar a dificuldade, foram forçados a usar moderadores pesados ​​de água muito mais caros . O grafite usado para reatores nucleares é frequentemente referido como grafite nuclear .

Outros usos

Fibra de grafite (carbono) e nanotubos de carbono também são usados ​​em plásticos reforçados com fibra de carbono e em compósitos resistentes ao calor, como carbono-carbono reforçado (RCC). Estruturas comerciais feitos a partir de compósitos de grafite fibra de carbono incluem varas de pesca , eixos clube de golfe, quadros de bicicletas, painéis de carroçaria desportivo, a fuselagem do Boeing 787 Dreamliner e piscina tacos e têm sido empregados com sucesso em concreto armado . As propriedades mecânicas dos compósitos plásticos reforçados com fibra de carbono e do ferro fundido cinzento são fortemente influenciadas pelo papel do grafite nesses materiais. Neste contexto, o termo "(100%) grafite" é frequentemente usado vagamente para se referir a uma mistura pura de reforço de carbono e resina , enquanto o termo "compósito" é usado para materiais compósitos com ingredientes adicionais.

O pó sem fumaça moderno é revestido com grafite para evitar o acúmulo de carga estática .

O grafite tem sido usado em pelo menos três materiais absorventes de radar . Foi misturado com borracha em Sumpf e Schornsteinfeger, que foram usados ​​em snorkels de submarinos para reduzir sua seção transversal de radar . Também foi usado em ladrilhos nos primeiros caças de ataque stealth F-117 Nighthawk .

Compósitos de grafite são usados ​​como absorvedor de partículas de alta energia (por exemplo, no despejo de feixe do LHC).

Varetas de grafite, quando limadas, são usadas como uma ferramenta no trabalho do vidro para manipular o vidro fundido quente.

Mineração de grafite, beneficiamento e moagem

Grande espécime de grafite. Naturalis Biodiversity Center , Leiden , Holanda.

O grafite é extraído por métodos a céu aberto e subterrâneos. Grafite geralmente precisa de beneficiamento . Isso pode ser feito escolhendo manualmente os pedaços de ganga (rocha) e peneirando manualmente o produto ou triturando a rocha e fazendo flutuar o grafite. O beneficiamento por flotação encontra a dificuldade de que o grafite é muito macio e "marca" (reveste) as partículas de ganga . Isso faz com que as partículas de ganga "marcadas" flutuem com o grafite, produzindo um concentrado impuro. Existem duas maneiras de obter um concentrado ou produto comercial: moagem repetida e flutuação (até sete vezes) para purificar o concentrado, ou por lixiviação ácida (dissolução) da ganga com ácido fluorídrico (para uma ganga de silicato) ou ácido clorídrico (para uma ganga carbonatada).

Na moagem, os produtos e concentrados de grafite recebidos podem ser moídos antes de serem classificados (dimensionados ou selecionados), com as frações de tamanho de flocos mais grosseiros (abaixo de 8 mesh, 8-20 mesh, 20-50 mesh) cuidadosamente preservadas e, em seguida, o conteúdo de carbono estão determinados. Algumas misturas padrão podem ser preparadas a partir de diferentes frações, cada uma com uma certa distribuição de tamanho de floco e conteúdo de carbono. Misturas personalizadas também podem ser feitas para clientes individuais que desejam uma determinada distribuição de tamanho de floco e conteúdo de carbono. Se o tamanho do floco não for importante, o concentrado pode ser moído mais livremente. Os produtos finais típicos incluem um pó fino para uso como pasta na perfuração de petróleo e revestimentos para moldes de fundição , gerador de carbono na indústria de aço (pó de grafite sintético e coque de petróleo em pó também podem ser usados ​​como gerador de carbono). Os impactos ambientais das fábricas de grafite consistem na poluição do ar, incluindo a exposição de partículas finas dos trabalhadores e também a contaminação do solo por derramamentos de pó, levando à contaminação do solo por metais pesados .

Produção de grafite em 2005

De acordo com o United States Geological Survey (USGS), a produção mundial de grafite natural em 2016 foi de 1.200.000 toneladas , dos quais os seguintes principais exportadores são: China (780.000 t), Índia (170.000 t), Brasil (80.000 t), Turquia ( 32.000 t) e Coreia do Norte (6.000 t). A grafite ainda não é extraída nos Estados Unidos . No entanto, a Westwater Resources está atualmente nos estágios de desenvolvimento de criação de uma planta piloto para sua mina de grafite Coosa perto de Sylacauga, Alabama . A produção americana de grafite sintética em 2010 foi de 134.000 t avaliada em US $ 1,07 bilhão.

Segurança no trabalho

As pessoas podem ser expostas ao grafite no local de trabalho, respirando-o, bem como através do contato com a pele ou com os olhos.

Estados Unidos

A Administração de Segurança e Saúde Ocupacional (OSHA) estabeleceu o limite legal (limite de exposição admissível ) para a exposição ao grafite no local de trabalho como uma média ponderada de tempo (TWA) de 15 milhões de partículas por pé cúbico (1,5 mg / m 3 ) acima de 8 - hora de trabalho. O Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional (NIOSH) definiu um limite de exposição recomendado (REL) de TWA 2,5 mg / m 3 de poeira respirável em um dia de trabalho de 8 horas. Em níveis de 1250 mg / m 3 , o grafite é imediatamente perigoso para a vida e a saúde .

Reciclagem de grafite

A maneira mais comum de reciclar grafite ocorre quando eletrodos de grafite sintética são fabricados e peças são cortadas ou tornos são descartados para reutilização, ou o eletrodo (ou outros materiais) são usados ​​até o porta-eletrodo. Um novo eletrodo substitui o antigo, mas um pedaço considerável do eletrodo antigo permanece. Este é triturado e dimensionado, e o pó de grafite resultante é usado principalmente para aumentar o teor de carbono do aço fundido. Os refratários contendo grafite às vezes também são reciclados, mas muitas vezes não são devido ao seu baixo teor de grafite: os itens de maior volume, como tijolos de magnesita de carbono que contêm apenas 15-25% de grafite, geralmente contêm muito pouco grafite para valer a pena reciclar. No entanto, alguns tijolos de magnesita de carbono reciclado são usados ​​como base para materiais de reparo de fornos, e também tijolos de magnesita de carbono triturados são usados ​​em condicionadores de escória. Embora os cadinhos tenham um alto conteúdo de grafite, o volume de cadinhos usados ​​e depois reciclados é muito pequeno.

Um produto de grafite em flocos de alta qualidade que se assemelha muito a grafite em flocos natural pode ser feito de kish de fabricação de aço. Kish é um resíduo quase derretido de grande volume retirado da alimentação de ferro fundido para uma fornalha de oxigênio básico e consiste em uma mistura de grafite (precipitada do ferro supersaturado), escória rica em cal e um pouco de ferro. O ferro é reciclado no local, deixando uma mistura de grafite e escória. O melhor processo de recuperação usa a classificação hidráulica (que utiliza um fluxo de água para separar os minerais por gravidade específica: o grafite é leve e se deposita quase no final) para obter um concentrado bruto de grafite de 70%. A lixiviação deste concentrado com ácido clorídrico dá um produto de grafite a 95% com um tamanho de floco que varia de malha 10 para baixo.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos