گرافیت طبیعی
گرافیت به دلیل دارا بودن خواص فلزی و غیر فلزی منحصر به فرد دارای کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف است. از خواص فلزی آن می‌توان به هدایت‌پذیری حرارتی و الکتریکی و از خواص غیر فلزی آن می‌توان به مقاومت در برابر تغییرات حرارتی و روانکاری اشاره نمود(Jin et al., ۲۰۱۶).
میزان مصرف گرافیت با توسعه تکنولوژی‌های جدید و فناوری‌های نو و دوستدار محیط زیست رو به افزایش است. برای مثال در ساخت یک گوشی تلفن همراه ۱۵ گرم گرافیت مصرف می‌شود. همچنین در تولید اتومبیل‌های برقی که تولید آن‌ها در دنیا به واسطه عدم تولید آلاینده‌ها رو به افزایش است ۱۰۰ کیلوگرم گرافیت استفاده می‌شود.
میزان تولید گرافیت در سال بالغ بر ۱.۲ میلیون تن در جهان است که ارزش آن به بیش از ۱۰ میلیارد دلار می‌رسد. شکل ۱ انواع کاربردهای گرافیت و درصد کاربرد گرافیت در آن را نشان میدهد. همانطور که مشاهده می‌شود، ۳۵ درصد مصرف گرافیت در صنایع نسوز و ۲۵ درصد در تولید باتری است.
شکل ۱- کاربردهای گرافیت
در حال حاضر، چین تولید کننده اصلی گرافیت طبیعی است و ۶۵ درصد از تولید جهان را تامین می‌کند. البته این کشور، ۳۵ درصد از کل گرافیت دنیا را به مصرف خود می‌رساند. از دیگر تولیدکنندگان گرافیت می‌توان به کشورهای برزیل، هند، کره و ساریلانکا اشاره نمود. در ایران از دیدگاه خواستگاه زمین‌شناسی زون دگرگونی سنندج-سیرجان مستعد کانیزایی گرافیت است. در محدوده این زون واقع در استان لرستان ذخایر گرافیت شناسایی و مورد بهره برداری قرار گرفته‌است. همچنین در زون شرق ایران واقع در استان‌های خراسان رضوی و جنوبی و همچنین در استان سیستان و بلوچستان مناطق مستعد حضور گرافیت شناسایی شده‌اند. شکل ۲ موقعیت این زون‌ها را در ایران نشان میدهد. گرافیت‌های موجود در ایران دارای خلوص پایین (محتوی کربن کم) و خاکستر بسیار بالا بوده و به این دلیل حتماً باید فرآوری آن‌ها به انجام برسد تا قابلیت کاربرد داشته باشند.
شکل ۲- موقعیت زون سنندج سیرجان و زون شرق ایران در نقشه جغرافیایی ایران
شکل ۳ انواع گرافیت‌های موجود در بازار را نشان میدهد. همانطور که مشاهده می‌شود گرافیت طبیعی با توجه به میزان بلوریافتگی به دو گروه میکروبلوری (micro crystalline) و ماکروبلوری (macro crystalline) تقسیم می‌شود. گرافیت طبیعی ماکروبلوری نیز خود به دو گروه پولکی و رگه‌ای تقسیم می‌شود (Peng et al., ۲۰۱۷). در ادامه انواع ذخایر گرافیت معرفی می‌شوند.
شکل۳- طبقه‌بندی گرافیت (Wissler et al., 2006)
انواع ذخایر گرافیت
الف. کانسار گرافیت میکروبلوری یا آمورف(Microcrystalline or amorphous graphite)
گرافیت میکروبلوری که به آن گرافیت آمورف نیز گفته می‌شود، از بین سه نوع گرافیت طبیعی به دلیل خلوص پایین (میزان خاکستر بالا) و عدم تبلوریافتگی دارای کمترین قیمت است ولی میزان فراوانی آن از دو نوع دیگر بیشتر بوده و در حدود ۶۰ درصد از سهم بازار گرافیت را به خود اختصاص میدهد. در صنایعی که محتوی خاکستر بالاتر قابل قبول بوده و یا ترجیح داده می‌شود این نوع گرافیت گزینه مناسبی است. شکل ۴ تصاویر سنگ معدن گرافیت آمورف و همچنین نمونه فرآوری شده و پودر شده آن را نشان میدهد. گرافیت آمورف محتوی ۷۰ تا ۷۵% کربن بوده و در بسیاری از محصولات روانساز از قبیل گریس‌ها استفاده می‌شود. کانسار گرافیت میکروبلوری از متارسوبات حاوی لایه زغال یا سایر لایه‌های رسوبی با کربن زیاد حاشیه قاره‌ای و یا حوضه‌های درون کراتونی تشکیل شده‌است. سنگ‌های میزبان معمولاً کوارتزیت‌ها، فیلیت‌ها و کنگلومراها هستند. کیفیت گرافیت به دست آمده از این نوع کانسار به خصوصیات رسوبات کربنی اولیه و میزان گرافیتی شدن بستگی دارد. گرافیت میکروبلوری در چین، کره، مکزیک و سایر مناطق دنیا استخراج و فرآوری می‌شود.
شکل۴- الف. سنگ معدن گرافیت آمورف ب. نمونه گرافیت آمورف فرآوری و پودر شده
ب. گرافیت پولکی (Flake graphite)
گرافیت پولکی مشهورترین نوع گرافیت طبیعی است و در حدود ۴۰ درصد از بازار گرافیت را به خود اختصاص میدهد. مقدار کربن آن در گستره ۸۰ تا ۹۸% است. شکل ۸ تصویری از سنگ معدن گرافیت پولکی و نمونه فرآوری شده آن را نشان میدهد. همانطور که مشاهده می‌شود این نوع گرافیت دارای یک مورفولوژی پولکی کاملاً مشخص است و نام آن نیز از این مرفولوژی پولکی گرفته شده است.
شکل ۵- الف. سنگ معدن گرافیت پولکی ب. نمونه گرافیت پولکی فرآوری شده
شکل ۶ تصاویر SEM مربوط به گرافیت پولکی را نشان میدهد. در این تصاویر نیز ساختار پولکی آن کاملاً مشخص است. کانسارهای گرافیت پولکی معمولاً در سنگ‌های سیلیسی به طور ناحیه‌ای دگرگون شده یافت می‌شوند. ذخایر گرافیت پولکی معمولاً چینه‌کران[1] بوده و گرافیت درون سنگ میزبان به یک زون خاص محدود می‌شود. این کانسار در برخی نواحی مانند استرالیا، کانادا و چین یافت می‌شود. گرافیت پولکی همچنین در سنگ‌های رسوبی کربناته یافت می‌شوند که شکل و اندازه این ذخایر متفاوت است.
شکل۶- تصاویر SEM گرافیت پولکی
ج. گرافیت رگه‌ای (Vein Graphite)
گرافیت رگه‌ای کمیاب‌ترین، با ارزش‌ترین فرم گرافیت است. این نوع گرافیت به صورت ذخایر با عیار بالا یافت می‌شود. شکل ۷ تصاویر سنگ معدن گرافیت رگه‌ای را نشان میدهد. همانطور که مشاهده می‌شود این نوع گرافیت به صورت تیکه‌های بزرگ با خلوص بالا از معدن استخراج می‌شود. گرافیت رگه‌ای مورد توجه خاص تولید کنندگان و خریداران است. برای تولیدکنندگان، هزینه‌های خردایش و فرآوری آن بواسطه عیار بالا کم است و برای خریداران این فرصت وجود دارد که تنوع کاربردهای آن بسیار زیاد باشد. کانسار گرافیت رگه‌ای در مناطق بطور ناحیه‌ای دگوگون شده، معمولاً در گرانیت و یا سنگ‌های رخساره کارنوکیت[2] یافت می‌شوند. آن‌ها ممکن است با کانسار گرافیت پولکی یافت شوند و میزبان آن‌ها می‌تواند شیست، کوارتزیت و مرمر باشد. سنگ‌های نفوذی گرانیتی و پگماتیت‌ها ممکن است با رگه‌های گرافیتی همراه باشند. کانسارهای حاوی گرافیت، کوارتز، فلدسپار، کلسیت، گارنت و سولفیدها به صورت رگه‌هایی در داخل شکستگی‌های بوجود آمده توسط چینخوردگی‌ها و گسلخوردگی‌ها یافت می‌شوند. گرافیت رگه‌ای در حال حاضر فقط از دو معدن Kahatagaha و Bogala واقع در سریلانکا با ظرفیت به ترتیب ۸۰ و ۲۵۰ تن در ماه بهره‌برداری می‌شود.
شکل ۷-. تصاویر سنگ معدن گرافیت رگه‌ای
تغلیظ گرافیت
تقاضای روزافزون برای محصولات گرافیتی عیار بالا تا ۹۹.۹ درصد کربن موجب توسعه رویکردهای مختلف جهت حذف ناخالصی‌ها و افزایش خلوص کربن شده است (Chelgani et al., ۲۰۱۶)
برای فرآوری کانسنگ گرافیت و جدایش آن از باطله اغلب از روش فلوتاسیون استفاده می‌شود. در این روش با اضافه کردن مواد شیمیایی مناسب به پالپ، سطح کانی باارزش به طور انتخابی آبران شده و سپس آن‌ها با دمش هوا به داخل پالپ به سطح پالپ انتقال می‌یابند و از کانی‌های گانگ که در داخل سلول فلوتاسیون باقی می‌مانند جدا میگردند. دلیل انتخاب روش فلوتاسیون برای پرعیارسازی کانسنگ‌های گرافیتی آن است که گرافیت بطور ذاتی هیدروفوب بوده و در نتیجه قابلیت شناور شدن به صورت طبیعی را دارا است. همچنین گرافیت دارای وزن مخصوص کم نسبت به کانی‌های گانگ است که انتقال آن به فاز کف را آسان‌تر می‌نماید. واکنشگرهای مورد استفاده در فلوتاسیون گرافیت شامل یک نوع کفساز از جمله MIBC یا روغن کاج و
همچنین یک روغن هیدروکربنی مانند کروزن یا روغن سوختی به عنوان کمک‌کلکتور می‌شود. همچنین از یک بازداشت‌کننده مانند سیلیکات سدیم و یا اسید لاکتیک به عنوان متفرق‌کننده و بازداشت‌کننده کانی‌های گانگ در فرآوری کانسنگ‌های با ترکیبات پیچیده کانی شناسی استفاده می‌شود.
فرآوری گرافیت باید به نحوی انجام شود که حذف ناخالصی در حد امکان در فراکسیون‌های ابعادی درشت انجام شود. دلیل این موضوع آن است که عامل تعیین کننده قیمت گرافیت علاوه بر خلوص، درشت بودن دانه بندی آن است. به عبارت دیگر خردایش گرافیت باید به نحوی انجام گیرد که با تولید حداقل ذرات ریز بتوان به درجه آزادی مناسب دست یافت. در واقع به دلیل چسبیدن ذرات گانگ به پولک‌های گرافیت، جهت دستیابی به درجه آزادی مناسب لازم است تا گرافیت به طور کامل ورقه ورقه شود و از آنجایی که بیشترین تقاضای بازار برای کنسانتره درشت دانه با عیار بالای گرافیت است، لازم است تا آزادسازی گرافیت از کانی‌های باطله به نحوی انجام گیرد که با کمترین خوردشدگی همراه باشد. خردایش مجدد با آسیای گلوله‌ای یا آسیای قلوه سنگی می‌تواند باعث آزادسازی گرافیت گردد ولی باعث تولید ذرات نرمه می‌شود.
در طی مطالعات بین سال‌های ۱۹۹۲ و ۱۹۹۳، در Minec (آفریقای جنوبی)، یک تکنیک تورق شدگی منحصر به فرد توسعه یافته است. این تکنولوژی می‌تواند پولک‌های گرافیت را جدا کرده و کانی‌های باطله‌ای که به آن چسبیده است را با کمترین آسیب رسیدن به پولک‌های گرافیت نیز جدا کند. این فرآیند در معدن گرافیت شرکت توسعه زیمباوه تست شده است. با استفاده از این تکنیک جدید، عیار کنسانتره گرافیت از ۹۰ % به ۹۸ % کربن بهبود یافته است.
فلوشیت کارخانه‌های فرآوری گرافیت به نوع کانسنگ عمل‌آوری شده و خصوصیات درجه آزادی آن بستگی دارد. در شکل ۸ یک فلوشیت تولید گرافیت پولکی نشان داده شده‌است. در این فلوشیت جهت دستیابی به درجه آزادی مطلوب و تولید کمترین ذرات ریز، عملیات خردایش مجدد کنسانتره با استفاده از آسیای میله‌ای در مرحله کلینر اولیه (۱، ۲ و ۳) انجام می‌شود. در کلینر نهایی از آسیاهای سایشی استفاده شده‌است. با استفاده از این فلوشیت، دو کنسانتره گرافیت پولکی یکی با عیار ۹۹% کربن بعد از عمل آوری شیمیایی و دیگری با عیار ۹۵% کربن تولید می‌شود.
شکل ۸- فلوشیت فرآوری کانسنگ گرافیت پولکی و تولید کنسانتره‌های با خلوص بالا
جمع‌بندی
گرافیت به دلیل دارا بودن خواص منحصر به فرد دارای کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف است و میزان مصرف آن با توسعه تکنولوژی‌های جدید و دوستدار محیط زیست در جهان رو به افزایش است. دلیل این موضوع خواص منحصر به فرد آن از جمله هدایت پذیری الکتریکی و حرارتی، مقاومت در برابر تغییرات حرارتی، خواص روانسازی و غیره است. ذخایر گرافیت با توجه به میزان بلورشدگی آن به ترتیب به سه گروه گرافیت میکروبلوری، پولکی و رگه‌ای تقسیم می‌شوند.
مناطق زمین‌شناسی مستعد کانیزایی گرافیت شامل زون‌های دگرگونی ناحیه‌ای و مجاورتی، متارسوبات حاوی لایه زغال یا سایر لایه‌های رسوبی با کربن زیاد حاشیه قاره‌ای و یا حوضه‌های درون کراتونی و همچنین مناطق هیدروترمال می‌شوند. در ایران زون دگرگونی سنندج-سیرجان و همچنین زون شرقی مستعد کانی‌سازی گرافیت است و در استان‌های لرستان، خراسان و سیستان و بلوچستان چند ذخیره گرافیت شناسایی شده‌اند. قیمت و کاربردهای گرافیت وابسته به دو عامل خلوص و دانه‌بندی بوده به صورتی که هر چه گرافیت دارای محتوی کربن بیشتر در دانه‌بندی درشتتر باشد قیمت آن بالاتر و کاربردهای آن بیشتر خواهد بود. بنابراین فرآوری گرافیت به منظور حذف ناخالصی و افزایش خلوص آن امری ضروری است و این مهم باید به صورتی انجام شود که در دانه‌بندی درشتتر بتوان خاکستر را حذف نمود. روش فرآوری متداول گرافیت فلوتاسیون است. دلیل این انتخاب آن است که گرافیت به دلیل خواص آبرانی ذاتی به صورت طبیعی شناور می‌شود. در این فلوتاسیون، جدایش گرافیت از کانی‌های گانگ بوسیله افزودن مقدار کمی کروزین به عنوان کمک کلکتور و سیلیکات سدیم به عنوان بازداشت‌کننده کانی‌های گانگ و MIBC یا روغن کاج به عنوان کفساز بهبود داده‌می‌شود.
[1] Strata-bound
[2] Charnockite facies rocks
