Extraction et raffinage : graphite | Hackaday

Durant mon adolescence, j’ai travaillé quelques étés dans un petit parc d’attractions en tant qu’exploitant de manèges. Avec le recul, toute l’expérience a été très amusante, même si le salaire minimum de 3,37 $ de l’heure et l’exposition aux conditions météorologiques capricieuses de la Nouvelle-Angleterre, allant de la pluie verglaçante à la chaleur tropicale extrême provoquant un coup de chaleur, ne semblent pas être le cas. Comme ça à l’époque.

L’un de mes emplois, dont je me souviens très bien, consistait à conduire des auto-tamponneuses. Comme tout le reste du parc, le manège était vieux et usé, et l’entretien était une corvée quotidienne. Pour éviter que le plancher en tôle d’acier de la voie ne rouille, nous devions appliquer chaque matin une couche de « peinture » graphite. C’était une tâche incroyablement compliquée : mettre le moindre morceau de crasse grasse noir argenté sur vos mains, et elle était là toute la journée. Et pendant les premiers trajets de la journée, avant que les choses ne soient posées sur le sol, les invités excités étaient moins susceptibles de remplir leurs chaussures de trucs, et comme tout le monde montait toujours dans le siège auto avant de s’y asseoir, eh bien, disons-le. Il était facile de déterminer qui montait dans les autos tamponneuses et qui était de retour, surtout lorsqu’on portait un short blanc.

Les propriétés qui rendent le graphite idéal pour les autos tamponneuses – glissant, conducteur d’électricité, tenace et bon marché – sont également des propriétés qui le rendent adapté à d’innombrables processus industriels. Ces phénomènes apparaissent partout et deviennent de plus en plus importants à mesure que le rythme de la décarbonation des transports s’accélère. Le graphite est un matériau étonnamment utile et assez courant, mais il n’est pas facile à extraire et à purifier. Jetons donc un coup d’œil à ce qu’il faut pour extraire et raffiner le graphite.

Chaleur, pression et insectes

L’histoire du graphite commence il y a deux milliards d’années, lorsque les océans regorgeaient de cyanobactéries. Après avoir réussi l’astuce évolutive de découvrir la photosynthèse, ces organismes ont aspiré un dioxyde de carbone presque illimité de l’atmosphère précambrienne, transformant les couches supérieures de l’océan en une épaisse soupe bactérienne. À leur mort, leurs restes riches en carbone se sont accumulés au fond des océans, pour finalement être enfouis sous d’épaisses couches de sédiments, où la pression et la chaleur pourraient commencer à faire leur chimie.

Bien que toutes ces bactéries mortes constituent la source ultime de graphite (sans parler de tous les autres minéraux carbonés, du charbon au pétrole en passant par les diamants), le type exact de graphite formé dépend des conditions géologiques. La forme de graphite la plus abondante est le graphite lamellaire, qui s’est produit lorsque ces cyanobactéries mortes ont formé des roches et du calcaire riches en carbone qui ont ensuite été forcées dans des conditions de pression et de température élevées en raison de l’activité tectonique. Ces conditions métamorphiques ont produit des roches contenant des cristaux de graphite piégés à l’intérieur. Le graphite amorphe, quant à lui, s’est formé lorsque des cyanobactéries mortes ont formé des dépôts de charbon, qui ont ensuite été ingérés dans un four en terre. La chaleur et la pression ont tout brûlé sauf le carbone présent dans le charbon, laissant derrière elles du carbone presque entièrement pur.

Quelle que soit la manière dont le graphite est formé, les cristaux de carbone presque purs lui confèrent des propriétés chimiques et physiques uniques. Le graphite est un minéral très mou, souvent aussi mou que le talc. Il se compose de plusieurs couches de carbone d’un atome d’épaisseur empilées les unes sur les autres, ce qui a conduit à la popularité du graphite en tant que lubrifiant. On pensait auparavant que le pouvoir lubrifiant du graphite provenait de liquides tels que l’air ou l’eau emprisonnés entre ces couches monoatomiques, leur donnant un certain glissement, ou simplement du fait que les feuilles individuelles se séparaient les unes des autres. Mais la pensée actuelle est que le graphite est glissant parce que les couches adjacentes sont déformées les unes par rapport aux autres sur un axe perpendiculaire aux lignes des couches ; Cela a pour effet d’ouvrir le chevauchement entre les couches, leur permettant de glisser les unes sur les autres.

Outre sa ductilité, le graphite possède un grand nombre de propriétés utiles, dont certaines sont exploitées depuis l’Antiquité. Les cultures néolithiques utilisaient le graphite naturel comme colorant pour la céramique, et les propriétés réfractaires du métal (il ne fond qu’à des températures supérieures à 3 600 degrés Celsius) sont utilisées depuis près de 500 ans dans des processus industriels à haute température, tels que les creusets et les moules de poterie. Moulage de métal. Aujourd’hui, le graphite a une gamme vertigineuse d’applications, apparaissant dans tout, des crayons aux électrodes utilisées pour fondre l’aluminium. Mais le marché le plus récent et peut-être le plus important pour le graphite réside dans la fabrication de batteries pour tout, des téléphones portables aux voitures électriques. Le graphite représente environ 95 % de l’anode de la plupart des batteries au lithium, et il faut 50 à 100 kg de graphite pour fabriquer les batteries d’une voiture électrique.

Bulles d’argent

Il n’existe que quelques endroits dans le monde où des veines de graphite pur existent – ​​le Sri Lanka est la seule source commercialement viable de ce type – et ce graphite a tendance à être réservé à des usages spécialisés. Par conséquent, comme pour la plupart des minéraux de valeur commerciale, l’extraction et le raffinage du graphite dépendent de la découverte de gisements contenant suffisamment de matériau pour justifier les efforts et les dépenses impliqués dans sa libération des roches dans lesquelles il est contenu. Les mines de graphite sont généralement des mines à ciel ouvert, dotées de tous les équipements et procédés habituels : dynamitage pour libérer rapidement d’énormes quantités de minerai, d’énormes pelles et camions de transport, et installations de concassage pour réduire les roches graphiteuses à des tailles gérables.

Après un premier concassage, le minerai de graphite est broyé en une fine poudre. Pour libérer le graphite de la roche environnante ou des impuretés, la taille des particules doit être plus petite que celle des flocons de graphite contenus dans la roche. Une série d’opérations de broyage avec des broyeurs à boulets et des broyeurs à barres y parviennent. Selon le type de roche et la forme du graphite, des acides peuvent parfois être utilisés pour dissoudre les impuretés autour du graphite. Cependant, le graphite est pratiquement séparé des impuretés par un certain type de processus de flottation. Le graphite est beaucoup moins dense que la roche environnante, ce qui facilite la création d’une mousse qui soulève le graphite jusqu’au sommet du réservoir de flottation où il peut être gratté, laissant couler les impuretés les plus denses. Les méthodes de flottation ont l’avantage supplémentaire de faciliter le transfert du graphite vers différents processus de l’usine en le pompant.

La boue riche en graphite résultant de la flottation subit une série d’étapes pour éliminer les impuretés résiduelles et augmenter la concentration en graphite. Ces étapes comprennent la filtration, la centrifugation et la séparation. Un séparateur en spirale est parfois utilisé ; Le lisier s’écoule à travers une porte en spirale contenant des particules plus légères et l’eau a tendance à s’écouler le long du bord extérieur tandis que les particules d’impuretés plus denses s’accumulent le long de la partie intérieure du barrage. Lorsque la suspension de graphite atteint la pureté souhaitée, elle est séchée dans un four, tamisée à une taille spécifiée et mise en sac pour l’expédition.

La production mondiale de graphite naturel a atteint en 2021 plus d’un milliard de tonnes. La Chine produit environ 80 % de cette quantité, et la majeure partie du reste provient du Brésil, de Turquie et d’Inde. Il n’existe actuellement qu’une seule mine de graphite en Amérique du Nord, soit celle du Lac d’Île, au Québec. Les États-Unis n’ont pas d’exploitation minière active de graphite, bien qu’il y ait eu des mines dans le Montana et en Alabama dans le passé.

Coca chaud

Toutefois, les minerais naturels ne constituent pas la seule source de graphite. Les méthodes de production de graphite synthétique existent depuis les années 1890 et, bien qu’elles produisent du graphite de haute pureté, leur prix est élevé. Le graphite synthétique est fabriqué en exposant du carbone amorphe (non cristallin) à des températures extrêmement élevées pour réorganiser les atomes de carbone dans la structure cristalline appropriée. Le choix de la matière première est crucial si le procédé doit produire du graphite de haute qualité ; Le carbone a dû traverser une « phase intermédiaire » à un moment donné de son histoire thermique, car la majeure partie du travail de production et d’alignement des unités structurelles de base des cristaux de carbone avait déjà été effectuée. Le traitement thermique final n’est en réalité qu’un processus de recuit qui indexe les feuilles de carbone monoatomiques dans leur forme finale en couches.

Il s’avère que la matière première idéale est un sous-produit du raffinage du pétrole : le coke, ou coke. Ce matériau riche en carbone est essentiellement le matériau de faible valeur qui reste après l’ébullition de tous les distillats supérieurs tels que le diesel et l’essence. Le coke est essentiellement une masse solide de molécules à longue chaîne, principalement du carbone mais avec un peu de matière organique volatile et un peu d’eau emprisonnée à l’intérieur, qui doivent toutes deux être éliminées en chauffant ou en calcinant le coke dans un four rotatif horizontal. Le processus de graphite a lieu dans un four Atchison, du nom d’Edward Goodrich Acheson, qui est tombé sur le processus de graphite synthétique alors qu’il cherchait un moyen de fabriquer du carborundum synthétique.

Un four Acheson est essentiellement une énorme résistance formant du carbone : une chambre remplie de coke calciné avec des électrodes de graphite enfouies à chaque extrémité. Le processus de graphite commence lorsqu’un courant massif traverse les électrodes de graphite, chauffant la charge de coke à environ 2 600 °C. Le processus se poursuit jusqu’à ce que le processus de graphite soit terminé. Cela ne prend généralement que quelques jours, mais le refroidissement du four et du graphite à l’intérieur peut prendre des semaines. Ce processus peut être utilisé pour produire de la poudre de graphite synthétique brute, mais il est le plus souvent utilisé pour créer des pièces en graphite telles que des électrodes pour le raffinage des métaux. Dans ce cas, le goudron de houille est mélangé avec du coke avant la cuisson, pour agir comme un liant et donner plus de résistance mécanique à l’électrode de graphite.

En raison du coût des matières premières et de l’énorme quantité d’énergie nécessaire à leur production, le graphite synthétique coûte environ deux fois plus cher que le graphite naturel. Il existe certaines applications où cela a du sens ; Les électrodes de fusion mentionnées ci-dessus en sont un bon exemple, car elles peuvent être fabriquées sous leur forme finale. Le graphite synthétique a également tendance à être plus adapté à une utilisation dans des matériaux composites tels que la fibre de carbone.

Qu’il soit naturel ou synthétique, il est indéniable que l’obtention du graphite est une affaire compliquée : soit nous brûlons du diesel pour faire de nombreux trous dans le sol, soit nous continuons à raffiner le pétrole afin de pouvoir pomper des mégawatts d’électricité à travers les déchets. Notre besoin en graphite est susceptible d’augmenter, alors j’espère que quelqu’un découvrira une meilleure solution.