کانی گرافیت چیست؟ – از نحوه تشکیل تا کاربردها

۲۳۹۵ بازدید
آخرین به‌روزرسانی: ۲۴ اردیبهشت ۱۴۰۲
زمان مطالعه: ۲۸ دقیقه
کانی گرافیت چیست؟ – از نحوه تشکیل تا کاربردها

کانی گرافیت در الماس و گرافین، از آلوتروپ‌های طبیعی عنصر کربن است. این کانی، از پیوند کووالانسی لایه‌های کربن طی فرآیندهای دگرگونی تشکیل می‌شود. گرافیت، کاربردهای زیادی در زندگی انسان دارد. خواص منحصر به فرد این عنصر آزاد در طبیعت، آن را به گزینه‌ای مناسبی در صنایع نوشت‌افزار، الکترونیک، فولادسازی و غیره تبدیل می‌‌کند. کانی گرافیت به روش‌های زیرزمینی و روباز استخراج می‌شود. کانسارهای حاوی این کانی، در شرایط زمین‌شناسی متفاوتی به وجود می‌آیند. از این‌رو، گرافیت یک کانی نسبتا فراوان به شمار می‌رود. در این مقاله، قصد داریم به معرفی کانی گرافیت، خواص فیزیکی و شیمیایی، کاربردها، نحوه تشکیل و فرآیند استخراج آن بپردازیم. به علاوه، این کانی را با یکی دیگر از آلوتروپ‌های معروف کربن، یعنی الماس مقایسه می‌کنیم.

فهرست مطالب این نوشته

گرافیت چیست ؟

«گرافیت» (Graphite)، ماده‌ای است که از روی هم قرار گرفتن لایه‌های متشکل از اتم‌های کربن به وجود می‌آید. گرافیت، به عنوان یکی از انواع کانی‌ها در گروه عناصر آزاد قرار می‌گیرد. این کانی، پایدارترین حالت کربن در شرایط استاندارد است.

تصویر زیر، نمونه‌ای از یک کانی گرافیت را نمایش می‌دهد. همان‌طور که مشاهده می‌کنید، این کانی ساختار لایه‌ای دارد. گرافیت، یک کانی با خواص منحصر به فرد محسوب می‌شود. این کانی، از ویژگی‌های مواد فلزی و غیرفلزی بهره می‌برد.

کانی گرافیت
نمونه‌ای از کانی گرافیت

گرافیت، بسیار نرم و سبک بوده و دارای ساختار بلوری شش‌وجهی است. این کانی، واکنش‌پذیری بسیار پایین و هدایت الکتریکی و حرارتی بالایی دارد. خصوصیات فیزیکی گرافیت، آن را به یک ماده پرکاربرد در صنایع مختلف تبدیل می‌کند.

کانی گرافیت چه کاربردی دارد ؟

کانی گرافیت، یکی از پرکاربردترین مواد مورد استفاده در صنایع مختلف و زندگی روزمره انسان‌ها است. این کانی در ساخت و تولید مواد مختلفی نظیر مداد، روان‌ساز، بوته آهنگری، پوشش تجهیزات ریخته‌گری، صیقل، لامپ قوسی، باتری، براش موتورهای الکتریکی و هسته راکتورهای هسته‌ای به کار می‌رود. در بخش‌های بعدی، به توضیح بیشتر کاربردهای کانی گرافیت خواهیم پرداخت.

کانی گرافیت در علوم هشتم

فصل یازدهم کتاب علوم تجربی پایه هشتم، به بحث در مورد انواع کانی‌های مهم و نحوه تشکیل آن‌ها می‌پردازد. این کتاب، روش‌های تشکیل کانی‌ها را به موارد زیر تقسیم می‌کند:

  1. تبلور مواد مذاب حاصل از سرد شدن (مانند کانی کوارتز)
  2. تبخیر محلول‌های فراسیر شده (مانند کانی هالیت)
  3. قرار گرفتن تحت فشار و دمای بالا (مانند کانی الماس)

کانی گرافیت نیز مانند الماس (یکی دیگر از آلوتروپ‌های عنصر کربن)، تحت تاثیر فشار و دما (دگرگونی نوعی زغال‌سنگ) تشکیل می‌شود. در بخش‌های بعدی مقاله، اطلاعات جامع‌تری را راجع به این کانی در اختیار شما قرار خواهیم داد.

کانی گرافیت چگونه تشکیل می شود ؟

کانی گرافیت به دو روش طبیعی و مصنوعی تشکیل می‌شود. گرافیت طبیعی، محصول دگرگونی (کاهش شیمیایی) رسوبات حاوی مواد کربن‌دار است. این کانی، در سنگ‌های آذرین و شهاب‌سنگ‌ها نیز یافت می‌شود. برای تبدیل کربن به گرافیت، به دمای حدود 750 درجه سانتی‌گراد و فشار حدود 517 مگاپاسکال نیاز است. این محدوده دما و فشار، در بازه تشکیل رخساره‌های دگرگونی گرانولیت قرار دارد.

کانی گرافیت، به روش‌های مختلفی تشکیل می‌شود. در این بخش، برخی از مهم‌ترین روش های تشکیل گرافیت را به طور مختصر مورد بررسی قرار می‌دهیم.

تشکیل گرافیت بر اثر دگرگونی ناحیه ای

«دگرگونی ناحیه‌ای» (Regional Metamorphism)، یکی از انواع دگرگونی است که بر اثر فرآیندهای بزرگ زمین‌شناسی نظیر کوه‌زایی در محدوده وسیعی از پوسته زمین رخ می‌دهد. کانی‌ها و سنگ‌های حاصل از دگرگونی ناحیه‌ای، تحت فشار و دمای بسیار بالایی قرار می‌گیرند. اغلب گرافیت‌های مشاهده شده در سطح زمین، بر اثر همگرایی صفحات پوسته زمین و دگرگونی ناحیه‌ای آهک و شیل‌های غنی از مواد آلی به وجود آمده‌اند. در این فرآیند، کانی‌های مرمر، شیست و گنایس به همراه بلورهای ریز گرافیت (فلیک) تشکیل می‌شوند.

بلورهای گرافیت فلیک در ترکیب مرمر
بلورهای گرافیت فلیک در ترکیب مرمر

اگر میزان گرافیت موجود در سنگ‌های مرمر، شیست و گنایس، به اندازه کافی بالا باشد، این سنگ‌ها را استخراج کرده و برای به دست آوردن گرافیت، آن‌ها را خرد می‌کنند. فرآوری سنگ‌های خرد شده و تولید گرافیت فلیک، به روش جداسازی ثقلی یا شناورسازی کف انجام می‌گیرد.

تشکیل گرافیت بر اثر دگرگونی لایه زغال

برخی از گرافیت‌ها، بر اثر دگرگونی لایه‌های زغال به وجود می‌آیند. مواد آلی موجود در زغال‌سنگ، از عناصری نظیر کربن، اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن و گوگرد تشکیل می‌شود. حرارت دگرگونی، مولکول‌های آلی زغال‌سنگ را نابود کرده و عنصرهای اکسیژن، هیدروژن، نیتروژن و گوگرد را بخار می‌کند. به این ترتیب، کربن نسبتا خالص باقی می‌ماند. این کربن، طی فرآیند تبلور، به کانی گرافیت تبدیل می‌شود.

گرافیت درون زغال سنگ

به گرافیت موجود در رگه‌های مرتبط با لایه‌های اصلی زغال‌سنگ، گرافیت آمورف می‌گویند. این نوع گرافیت، به توده‌های زغال‌سنگ شباهت دارد. گرافیت آمورف، فراوان‌ترین و کم‌ارزش‌ترین نوع گرافیت است. با وجود حضور این کانی در اغلب ذخایر زغال‌سنگ، جدایش و فرآوری آن، صرفه اقتصادی ندارد. به علاوه، محصول نهایی نیز از کیفیت بالایی برخوردار نیست.

تشکیل گرافیت بر اثر دگرگونی هیدروترمال

درصد کمی از گرافیت‌ها، توسط واکنش ترکیبات کربنی در حین دگرگونی هیدروترمال سنگ‌ها تشکیل می‌شوند. در این فرآیند، امکان جابجایی و تجمع گرافیت در رگه‌های مرتبط با کانسارهای هیدروترمال وجود دارد. به دلیل تشکیل کانی طی فرآیند ته‌نشینی، درصد تبلور و خلوص آن افزایش می‌یابد. گرافیت حاصل از دگرگونی هیدروترمال، کاربرد برای کاربرد در صنایع الکتریکی مناسب است.

تشکیل گرافیت در سنگ های آذرین و شهاب سنگ ها

درصد کمی از ذخایر گرافیت، به صورت کانی اولیه در سنگ‌های آذرین ظاهر می‌شوند. این کانی می‌تواند به صورت ذرات ریز در بازالت، سیانیت و پگماتیت‌ها حضور داشته باشد. برخی از شهاب‌سنگ‌های آهنی نیز دارای مقدار کمی گرافیت هستند. البته مقدار این گرافیت‌ها کم است و ارزش اقتصادی ندارد.

گرافیت مصنوعی چیست و چگونه تشکیل می شود ؟

«گرافیت مصنوعی» (Synthetic Graphite)، گرافیتی است که با اعمال دمای بالا (دمایی بین 2500 تا 3000 درجه سانتی‌گراد) به مواد کربن‌دار نظیر کک نفتی و قطران زغال‌سنگ به وجود می‌آید. در دماهای بالا، مواد فرار و فلزات خام، نابود یا از ترکیب مواد خارج می‌شوند. به این ترتیب، عنصر کربن با ساختار بلوری و لایه‌ای باقی می‌ماند.

گرافیت مصنوعی خلوص بیشتری نسبت به گرافیت طبیعی دارد. درصد کربن در این ماده به بیش از 99 درصد می‌رسد. از این‌رو، کاربرد آن در ساخت قطعاتی است که به مواد خالص نیاز دارند.

گرافیت مصنوعی

تاریخچه ساخت کربن مصنوعی

فرآیند ساخت گرافیت مصنوعی، در اواسط دهه 1890 میلادی (اواسط دهه 1270 شمسی)، به طور اتفاقی توسط یک شیمیدان آمریکایی به نام «ادوارد گودریچ آچسون» (Edward Goodrich Acheson) کشف شد. او هنگام آزمایش سیلیسیم کاربید دریافت که با رسیدن دمای این ترکیب به حدود 4150 درجه سانتی‌گراد، سیلیسیم موجود در آن تبخیر می‌شود و کربن (به شکل گرافیت) باقی می‌ماند.

آچسون در سال 1896 میلادی (1275 شمسی)، امتیاز ساخت گرافیت را به نام خود ثبت کرده و یک سال بعد، تولید این ماده در مقیاس صنعتی را آغاز کرد. از سال 1918 میلادی (سال 1297 شمسی) تا به امروز، موادی نظیر کک نفتی و ذرات ریز گرافیت در ترکیبات آلی، به عنوان مواد اولیه اصلی در تولید گرافیت با درصد خلوص 99 تا 99/5 درصد مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

جایگاه کانی گرافیت در طبقه بندی انواع کانی ها

روش‌های مختلفی برای طبقه‌بندی کانی‌ها وجود دارد. دقیق‌ترین معیار برای تقسیم‌بندی انواع کانی‌ها، ترکیب شیمیایی آن‌ها است. بر اساس این تقسیم‌بندی، گرافیت در گروه عناصر آزاد قرار می‌گیرد. کانی‌های سیلیکاته، ۹۵ درصد از پوسته زمین و ۹۷ درصد از گوشته زمین را تشکیل می‌دهند. از این‌رو، انواع کانی‌ها را معمولا به دو دسته کلی سیلیکاته و غیرسیلیکاته نیز تقسیم می‌کنند.

کانی‌های سیلیکاته، دارای عنصر سیلیسیم هستند. بنابراین، تمام عناصر آزاد از جمله گرافیت، به عنوان کانی‌های غیرسیلیکاته در نظر گرفته می‌شوند.

جایگاه گرافیت در تقسیم بندی کانی ها بر اساس پیوند اتمی

یکی دیگر از معیارهای تقسیم‌بندی انواع کانی‌ها، پیوند اتم‌های موجود در ساختار بلوری آن‌ها است. اتم‌های یک کانی، توسط پیوند یونی، پیوند کووالانسی یا پیوند فلزی در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند. پیوند بین اتم‌های کانی گرافیت، از نوع کووالانسی است. در گرافیت، هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر پیوند می‌دهد.

نمودار پیوند اتمی کانی ها
نوع پیوند اتمی کانی گرافیت و الماس، یکسان است اما آرایش اتم‌ها در این دو باهم تفاوت دارد.

گرافیت، یک کانی غیرفلزی است. با این وجود، این کانی، همانند فلزات، از خاصیت هدایت الکتریکی بهره می‌برد. در واقع، گرافیت تنها ماده غیرفلزی است که می‌تواند الکتریسیته را از خود عبور دهد.

جایگاه گرافیت در تقسیم بندی کانی ها بر اساس نحوه تشکیل

انواع کانی‌ها بر اساس نحوه تشکیل، در گروه‌های آذرین، رسوبی و دگرگونی قرار می‌گیرند. در بخش‌های قبلی دیدیم که کانی گرافیت، به روش‌های مختلفی تشکیل می‌شود. در اغلب موارد، گرافیت، حاصل دگرگونی ترکیبات رسوبی کربن‌دار است. در نتیجه، آن را به عنوان یک کانی دگرگونی در نظر می‌گیریم. البته گرافیت در کنار سنگ‌های آذرین نیز یافت می‌شود. با این وجود، سازوکار تشکیل آن، به گونه‌ای است که نمی‌توان آن را به عنوان یک کانی آذرین در نظر گرفت.

جایگاه گرافیت در تقسیم بندی کانی ها بر اساس ساختار بلوری

از نظر ساختار و شکل بلوری، کانی گرافیت در گروه کانی‌های هگزاگونال و رومبوهدرال قرار می‌گیرد. در ساختار هگزاگونال، لایه‌های گرافیت دارای آرایش آلفا با ترتیب ABAB هستند. در ساختار رومبوهدرال، ترتیب لایه‌های گرافیت به ABCABC (آرایش بتا) تغییر می‌کند.

ساختارهای بلوری مختلف کانی گرافیت
ساختار هگزاگونال ساده (AAA)، ساختار هگزاگونال متوالی (ABA)، ساختار رومبوهدرال (ABC)

جایگاه گرافیت در تقسیم بندی کانی ها بر اساس زمان تشکیل

کانی‌ها از نظر زمان تشکیل، به دو دسته اولیه و ثانویه تقسیم می‌شوند. کانی‌های اولیه، از ابتدای فرآیند تشکیل سنگ میزبان، در آن حضور دارند. کانی‌های ثانویه، طی فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی به درون سنگ میزبان نفوذ می‌کنند. کانی گرافیت، در اغلب موارد به عنوان یک کانی ثانویه در نظر گرفته می‌شود. البته بلورهای ریز گرافیت در سنگ‌های آذرین، در گروه کانی‌های اولیه قرار دارند.

خواص کانی گرافیت چه هستند ؟

خواص فیزیکی و شیمیایی کانی‌های مختلف با یکدیگر تفاوت دارد. این خواص، منظور شناسایی انواع کانی‌ها و پیش‌بینی رفتار آن‌ها در شرایط مختلف مورد ارزیابی قرار می‌گیرند.

در این بخش، به بررسی خواص شیمیایی، ظاهری و فیزیکی کانی گرافیت می‌پردازیم.

خواص شیمیایی کانی گرافیت چه هستند ؟

کانی گرافیت، از عنصر کربن تشکیل می‌شود. نماد شیمیایی این عنصر در جدول تناوبی، حرف C (ابتدای عبارت Carbon) است. از این‌رو، کانی گرافیت را با فرمول شیمیایی C نمایش می‌دهند.

ناخالصی های گرافیت

گرافیت‌های طبیعی، معمولا به همراه کانی‌های دیگر یافت می‌شوند. به عبارت دیگر، خلوص کربن در این کانی‌ها، 100 درصد نیست. از مهم‌ترین ناخالصی‌های موجود در ترکیب شیمیایی گرافیت می‌توان به آهن، کلسیم، منیزیم، سیلیسیم، آلومینیوم و سدیم اشاره کرد. در برخی از موارد، مس، نیکل، کبالت و روی نیز با درصد پایین در ترکیب گرافیت ظاهر می‌شوند.

ناخالصی های گرافیت
ناخالصی‌های موجود در میان لایه‌های گرافیت

فرآوری سنگ معدنی حاوی گرافیت نمی‌تواند خلوص کربن در این کانی را به 100 درصد برساند؛ چراکه برخی از ناخالصی‌ها، همچنان در میان لایه‌های گرافین باقی می‌مانند یا به صورت فیزیکی به سطح گرافیت می‌چسبند. این ناخالصی‌ها توسط روش‌های شیمیایی یا حراراتی از ساختار گرافیت خارج می‌شوند.

ناخالصی‌ها بر روی ساختار اتمی گرافیت تاثیر می‌گذارند. این مواد اضافی، شعاع پیوند کووالانسی را کاهش داده و انتقال مستقیم و غیرمستقیم الکترون (هدایت الکتریکی) را تغییر می‌دهند. به طور کلی، هر چه مقدار ناخالصی‌ها در ترکیب گرافیت کمتر باشد، عملکرد آن برای کاربری‌های مختلف بهبود می‌یابد.

واکنش پذیری گرافیت

«واکنش‌پذیری» (Reactivity)، تمایل یک ماده به واکنش با خود یا دیگر مواد است. گرافیت، به عنوان یک عامل کاهنده با واکنش‌پذیری کم در نظر گرفته می‌شود. این کانی، در دمای معمولی آتش نمی‌گیرد اما در صورت افزایش حرارت، می‌سوزد. ترکیب گرد و غبار گرافیت با هوا، پتانسیل انفجار دارد. گرافیت، به طور شدید با عامل‌های قوی اکسایش نظیر فلورین، کلر دی‌اکسید و پتاسیم پراکسید واکنش می‌دهد.

گرافیت، از نظر شیمیایی خنثی بوده و pH آن در حدود 5 است. بنابراین می‌توان این کانی را تقریبا اسیدی در نظر گرفت. گرافیت هیچ واکنش‌پذیری با آب ندارد. این ماده، تنها ماده غیرفلزی با خاصیت هدایت الکتریکی است. اتم‌های گرافیت می‌توانند از دیگر اتم‌ها الکترون دریافت کنند. از طرف دیگر، این اتم‌ها امکان جایگزینی اتم هیدروژن در ترکیب شیمیایی اسیدها را ندارند. بنابراین، گرافیت با اسید سولفوریک و هیدروکلریک اسید نیز واکنش نمی‌دهد. البته این کانی در برابر نیتریک اسید گرم واکنش‌پذیر است. به طور کلی می‌توان گرافیت را به عنوان یک ماده مقاوم در برابر خوردگی در نظر گرفت.

مشخصات ظاهری گرافیت چه هستند ؟

از مهم‌ترین مشخصات ظاهری گرافیت می‌توان به رنگ، رنگ خاکه و جلای این کانی اشاره کرد. کانی گرافیت، معمولا به رنگ خاکستری تیره تا مشکی یافت می‌شود. این کانی، جلای فلزی و کدر دارد. رنگ و جلا، معیار مناسبی برای قضاوت در مورد نوع یک کانی نیستند. به عنوان مثال، کانی مولیبدنیت، از نظر ظاهری، شباهت زیادی به گرافیت دارد. به همین دلیل، کانی‌شناسان، ویژگی‌های دیگری نظیر رنگ خاکه را نیز مورد بررسی قرار می‌دهند.

رنگ خاکه گرافیت

«خاکه» (Streak)، اثری است که هنگام کشیدن نمونه کانی بر روی سطوح سخت باقی می‌ماند. رنگ خاکه کانی‌ها، معمولا ثابت بوده و مستقل از رنگ ظاهری آن‌ها است. اگر گرافیت را بر روی یک سطح سخت بکشیم، ذراتی به رنگ خاکستری تیره تا مشکی بر روی سطح باقی می‌مانند.

خواص فیزیکی کانی گرافیت چه هستند ؟

از مهم‌ترین خواص فیزیکی کانی گرافیت می‌توان به سختی، کلیواژ، ساختار بلوری و وزن مخصوص اشاره کرد. در این بخش و بخش بعدی، به معرفی این خواص می‌پردازیم.

سختی کانی گرافیت چیست ؟

«سختی» (Hardness)، یکی از مهم‌ترین مشخصه‌های فیزیکی کانی گرافیت است که به منظور شناسایی آن نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. با کشیدن گرافیت بر روی یک کانی دیگر، دو حالت پیش می‌آید:

  1. کانی گرافیت بر روی کانی دیگر خراش ایجاد می‌کند.
  2. کانی دیگر، بر روی کانی گرافیت خراش ایجاد می‌کند.

بر اساس یک تعریف و معیار کلی، سختی یک کانی، مقاومت آن در برابر خراش است. بر اساس این معیار، در مورد شماره 1، می‌گوییم گرافیت سختی بیشتری نسبت به کانی دیگر دارد. در مورد شماره 2، می‌گوییم سختی کانی گرافیت از کانی دیگر کمتر است.

البته می‌توانیم یک حالت سوم را نیز در نظر بگیریم. اگر سختی دو کانی برابر یا نزدیک به هم باشد، هیچ یک از آن‌ها نمی‌تواند بر روی سطح دیگری خراش ایجاد کند؛ یا خراش‌های ایجاد شده، جزئی خواهند بود. گرافیت، سختی پایینی دارد. سختی این کانی در شاخص موس برابر با 1 تا 2 است. جدول زیر، سختی 10 کانی معرف در شاخص موس را نمایش می‌دهد (کانی گرافیت، برای مقایسه سختی‌ها به این جدول اضافه شده است).

عنوان کانیسختی موس
تالک۱
گرافیتسختی گرافیت، بین سختی تالک تا ژیپس است.
ژیپس۲
کلسیت۳
فلورین۴
آپاتیت۵
فلدسپات۶
کوارتز۷
توپاز۸
کرندوم۹
الماس۱۰

با توجه به جدول بالا، گرافیت، به عنوان یک ماده نرم در نظر گرفته می‌شود. به عبارت دیگر، اکثر کانی‌های بر روی این کانی خراش می‌اندازند. سختی، یک معیار کافی برای شناسایی کانی‌ها نیست. با این وجود، برای تشخیص گرافیت از کانی‌های مشابه می‌توان به این مشخصه اعتماد کرد.

کیت تشخیص سختی کانی ها
کیت تشخیص سختی کانی‌ها

«شاخص سختی ویکرز» (Vickers Hardness Scale)، از دیگر کمیت‌های مورد استفاده برای بیان سختی کانی‌ها است. بر اساس این شاخص، سختی گرافیت بین 27 تا 61 کیلوگرم بر میلی‌متر مربع قرار دارد. برای درک این اعداد باید اشاره کنیم که سختی ویکرز الماس، برابر با 10000 کیلوگرم بر میلی‌متر مربع است. سختی گرافیت، همان ویژگی موثر در کاربری آن به عنوان مغز مداد، ماده روانکاری و غیره است.

کلیواژ کانی گرافیت چیست ؟

رَخ یا «کلیواژ» (Cleavage)، تمایل کانی برای شکست بر روی یک سطح خاص در ساختار بلوری خود است. به عبارت دیگر، کلیواژ، راستای نسبی ضعف ساختاری کانی‌ها یا راستای صفحات شکست کانی‌ها را مشخص می‌کند. کانی گرافیت، یک کلیواژ کامل دارد. برای درک این موضوع، تصویر زیر را در نظر بگیرید. این تصویر، ساختار بلوری و کلیواژهای کانی هالیت را نمایش می‌دهد. کانی هالیت، در چهار کلیواژ کامل دارد. این کلیواژها، یکدیگر را با زاویه 90 درجه قطع می‌کنند.

کلیواژ هالیت
برخلاف گرافیت، با نگاه کردن به سطح کانی هالیت می‌توان راستای کلیواژهای آن (صفحات شکست) آن را به خوبی مشاهده کرد.

تصویر زیر، نمونه از کانی کانی گرافیت را نمایش می‌دهد. این کانی، ساختار لایه‌ای دارد. نقطه ضعف یا جهت کلیواژ گرافیت، موازی با راستای این لایه‌ها است. بنابراین، در صورت اعمال نیروی کافی، لایه‌های گرافیت بر روی یکدیگر می‌لغزند و از هم جدا می‌شوند. کلیواژ، از مشخصه‌های معرف بسیاری از کانی‌ها به شمار می‌رود.

ساختار اتمی و شبکه بلوری کانی گرافیت

گرافیت، ساختار اتمی لانه زنبوری و لایه‌ای دارد. لایه‌های گرافیت، معمولا با دو آرایش آلفا (α) یا بتا (β) بر روی یکدیگر قرار می‌گیرند. برای درک بهتر آرایش‌های اتمی کانی گرافیت، تصویر زیر را در نظر بگیرید. این تصویر، سه لایه اتم کربن در ساختار کانی گرافیت را نمایش می‌دهد.

لایه های اتم کربن در ساختار کانی گرافیت
آرایش آلفا لایه‌های کربن در ساختار گرافیت

اتم‌های کربن در هر لایه از کانی گرافیت، در یک آرایش لانه‌زنبوری (شش‌ضلعی) با یکدیگر پیوند می‌دهند.

آرایش اتم های کربن در هر لایه از گرافیت

اگر موقعیت لایه اول، بر روی لایه سوم و موقعیت لایه دوم، بر روی لایه چهارم منطبق باشد، آرایش آلفا (α) به وجود می‌آید. در این آرایش، لایه‌های زوج در یک موقعیت و لایه‌های فرد در یک موقعیت دیگر قرار می‌گیرند.

آرایش ABAB ساختار اتمی گرافیت

در واقع، موقعیت لایه‌ها به صورت یکی در میان به حال اول بازمی‌گردد. آرایش α، با عنوان آرایش «ABAB» نیز شناخته می‌شود.

ساختار سه‌بعدی آرایش آلفا کانی گرافیت

اگر سه لایه اول گرافیت، مانند تصویر زیر بر روی یکدیگر قرار داشته باشند، با تکرار موقعیت آن‌ها در لایه‌های بعدی، آرایش β به وجود می‌آید. آرایش بتا با عنوان آرایش «ABCABC» نیز شناخته می‌شود.

آرایش بتا در ساختار اتمی کانی گرافیت

ساختارهای آلفا و بتا، خواص مقاومتی تقریبا یکسانی دارند. با این وجود، تفاوت اصلی این دو، نحوه چینش گرافین‌ها (لایه‌های منفرد کربن) بر روی یکدیگر است.

از خواص ساختاری کانی گرافیت می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

    • هر لایه از اتم‌های کربن، از شبکه‌ای با چینش لانه‌زنبوری تشکیل می‌شود.
    • فاصله بین اتم‌هاکربن در آرایش شش‌ضلعی برابر با ۰٫۱۴۲ نانومتر است.
    • فاصله بین هر لایه، برابر با ۰٫۳۳۵ نانومتر است.
    • اتم‌های هر لایه با سه اتم دیگر، با یکدیگر پیوند کووالانسی برقرار می‌کنند. به عبارتی، یک الکترون آزاد در اتم باقی می‌ماند. این الکترون آزاد، دلیل اصلی هدایت الکتریکی این ماده است.
  • لایه‌های کربن در ساختار گرافیت (گرافین‌ها)، با یکدیگر پیوند واندروالسی برقرار می‌کنند. ضعیف بودن این نوع پیوند، دلیل اصلی لغزش راحت لایه‌های کربن بر روی یکدیگر (سختی پایین گرافیت) است.

در بخش بعدی، ضمن مقایسه گرافیت با الماس، برخی دیگر از خواص فیزیکی این کانی پرکاربرد را معرفی می‌کنیم.

تفاوت کانی گرافیت و کانی الماس در چیست ؟

کانی‌های گرافیت و الماس، دو آلوتروپ معروف عنصر کربن هستند. به عبارت دیگر، هر دوی این کانی‌ها، از عنصر کربن تشکیل می‌شوند. بنابراین، هنگام طبقه‌بندی انواع کانی‌ها، گرافیت و الماس در گروه عناصر آزاد قرار می‌گیرند. با وجود شباهت ترکیب شیمیایی این دو، خواص فیزیکی آن‌ها، تفاوت‌های قابل‌توجهی دارد. این تفاوت‌های فیزیکی به قدری زیاد است که نگاه کردن به بلورهای الماس و گرافیت، یکسان بودن ترکیب شیمیایی‌ آن‌ها را دور از ذهن می‌کند.

هنگام مشاهده نمونه‌های الماس و گرافیت در کنار یکدیگر، اولین تفاوتی که به چشم می‌آید، رنگ و جلای آن‌ها است. گرافیت، رنگ تیره با جلای کدر و فلزی تا خاکی دارد. در طرف مقابل، الماس، معمولا به رنگ زرد یا قهوه‌ای، شفاف و درخشنده است. البته الماس خالص، رنگ ندارد.

مقایسه کانی الماس و گرافیت

سختی، ویژگی دومی است که باعث تمایز بین گرافیت و الماس می‌شود. بر اساس شاخص سختی موس، کانی گرافیت، در کلاس‌های بسیار نرم (با سختی 1 تا 2) قرار می‌گیرد. در طرف مقابل، کانی الماس، سخت‌ترین ماده شاخص موس (با سختی 10) به شمار می‌رود. این ویژگی، بر روی کاربردهای الماس و گرافیت تاثیر می‌گذارد. جدول زیر، مقایسه خواص شیمیایی و فیزیکی کانی‌های الماس و گرافیت را نمایش می‌دهد.

ویژگیمشخصه گرافیتمشخصه الماس
طبقه‌بندی شیمیاییعنصر آزادعنصر آزاد
ترکیب شیمیاییC (کربن خالص)C (عنصر خالص)
رنگخاکستری تا سیاهطیف وسیعی از رنگ‌ها، اغلب به رنگ زرد یا قهوه‌ای و به ندرت بی‌رنگ
رنگ خاکهسیاهبدون خاکه بی‌رنگ (به دلیل سختی بالای الماس، امکان مشاهده خاکه آن با کشیدن نمونه بر روی صفحه خاکه وجود ندارد.)
جلااغلب فلزی و گاهی اوقات نیمه‌فلزی یا خاکیالماسی (بالاترین حد جلا در کانی‌های غیرفلزی)
شفافیتکدرشفاف، بی‌رنگ و کدر
کلیواژکلیواژ کامل در یک جهتکلیواژ کامل در چهار جهت
سختی موس1 تا 210 (سخت‌ترین کانی شناخته شده در طبیعت)
وزن مخصوص2/1 تا 2/33/4 تا 3/6
سیستم بلوریهگزاگونالایزومتریک
خواص معرفرنگ، رنگ خاکه، حس لغزنده، وزن مخصوصسختی، رسانایی گرما، شکل بلوری، شاخص شکست نور، وزن مخصوص و پراکندگی نور
کاربردهای اصلیتولید مخازن مقاوم در برابر حرارت، مواد شیمیایی و دیگر مواد، ساخت آند باتری، روانکاری خشک و مغز مدادجواهر، ساینده صنعتی، شیشه‌سازی، ساخت تجهیزات صوتی، گرماگیر، قطعات مقاوم در برابر خوردگی و غیره

دلیل اصلی این همه تفاوت بین الماس و گرافیت، نحوه آرایش اتم‌های کربن در ساختار بلوری هر یک از آن‌ها است. اتم‌های کربن در گرافیت، بر اساس یک آرایش شش‌وجهی به یکدیگر وصل می‌شوند و لایه‌هایی با ضخامت یک اتم را به وجود می‌آورند. پیوند بین این لایه‌ها، بسیار ضعیف است. به همین دلیل، اتم‌های گرافیت به سادگی و با اعمال کمی نیرو بر روی یکدیگر می‌لغزند.

سختی پایین، کیلواژ کامل و حس لغزندگی سطح گرافیت نیز تحت تاثیر ساختار اتمی آن است. اتم‌های کربن در کانی الماس، بر اساس یک آرایش سه‌بعدی به یکدیگر وصل می‌شوند. در این شبکه بلوری، هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر، پیوند کووالانسی ایجاد می‌کند. این پیوند قوی، دلیل سختی بالای الماس است.

برای آشنایی کامل با کانی الماس، مطالعه مطلب «کانی الماس چیست و چگونه تشکیل می شود؟ – به زبان ساده» را به شما پیشنهاد می‌کنیم.

انواع گرافیت کدام هستند ؟

کانی گرافیت بر اساس شبکه بلوری به سه نوع اصلی آمورف، فلیک و وین تقسیم می‌شود. علاوه بر این موارد، گرافیت‌های متعددی با کاربرد و ترکیب‌های مختلف وجود دارند.

در ادامه، به معرفی برخی از این گرافیت‌ها می‌پردازیم.

گرافیت آمورف چیست ؟

«گرافیت آمورف» (Amorphous Graphite)، ذرات و بلورهای بسیار ریز گرافیت هستند که در لایه‌های سنگ‌های دگرگونی نظیر زغال، اسلیت و شیل یافت می‌شوند. به گرافیت آمورف موجود در لایه‌های زغال‌سنگ، «متا آنتراسیت» (Meta-Anthracite) می‌گویند. برخلاف زغال‌سنگ، گرافیت آمورف، به راحتی آتش نمی‌گیرد. به همین دلیل، نمی‌توان از آن به عنوان سوخت استفاده کرد. درصد خلوص کربن در گرافیت آمورف به محیط دربرگیرنده این کانی بستگی دارد. معمولا خلوص بین 70 تا 90 درصد، به عنوان بازه عیار اقتصادی گرافیت در نظر گرفته می‌شود.

کانی گرافیت آمورف

کاربرد گرافیت آمورف

با وجود محبوبیت کم گرافیت آمورف نسبت به دیگر انواع گرافیت، این کانی، کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد. گرافیت آمورف به منظور ساخت وسایل دیرگداز نظیر بوته، پاتیل، قالب، نازل و دیگر وسایل تحت دمای بسیار بالا در صنعت ریخته‌گری (مخصوصا ریخته‌گری فولاد) مورد استفاده قرار می‌گیرد. الکترودهای به کار رفته در بسیاری از کوره‌های الکتریکی نظیر کوره‌های قوس الکتریکی توسط این نوع گرافیت ساخته می‌شوند.

الکترود گرافیتی
الکترود گرافیتی کوره‌های الکتریکی

گرافیت آمورف، نقش بسیار مهمی در صنعت فولاد ایفا می‌کند. این کانی، برای افزایش درصد کربن فولاد و بهبود مقاومت آن به کار گرفته می‌شود. در بسیاری از موارد، آستر کوره‌های آهن‌گدازی را از گرافیت آمورف می‌سازند. خاصیت هدایت حرارتی بالای این کانی، بهره‌وری تولید آهن را افزایش می‌دهد.

گرافیت آمورف در اتومبیل‌سازی و ساخت آستر قطعات ترمز، کلاچ و واشر کاربرد دارد. اعمال این ماده بر روی سطوح، فرآیند تمیزکاری و جدایش مواد چسبیده به سطح را ساده‌تر می‌کند. با وجود کاربردهای متنوع گرافیت آمورف در بسیاری از صنایع، معروف‌ترین کاربرد این کانی، ساخت مغز مداد است.

گرافیت فلیک چیست ؟

گرافیت پولکی یا «گرافیت فلیک» (Flake Graphite)، یکی دیگر از انواع گرافیت با ذرات منفرد، تخت و صفحه‌ای شکل است. این کانی در سنگ‌های دگرگونی نظیر آهک، گنایس و شیست به صورت لایه‌های یکنواخت یا توده‌های لنزی یافت می‌شود.

گرافیت فلیک

گرافیت فلیک، مرغوب‌ترین نوع گرافیت است. دانه‌بندی‌های استاندارد برای این کانی عبارت هستند از:

  • گرافیت بسیار بزرگ: ابعاد بزرگ‌تر از 500 میکرون
  • گرافیت بزرگ: ابعاد بین 300 تا 500 میکرون
  • گرافیت متوسط: ابعاد بین 150 تا 300 میکرون
  • گرافیت ریز: ابعاد کوچک‌تر از 150 میکرون

درصد خلوص کربن در گرافیت فلیک به بیش از 80 تا 99 درصد می‌رسد. این ویژگی، ارزش این کانی را افزایش می‌دهد و کاربردهای آن را به صنایع خاص محدود می‌کند.

کاربرد گرافیت فلیک

گرافیت فلیک، کاربرد گسترده‌ای در صنعت خودروسازی دارد. ساخت آندهای باتری‌های لیتیم-یون مورد استفاده در خودروهای الکتریکی توسط این نوع گرافیت انجام می‌گیرد. از این‌رو، به دلیل گسترش تولید خودروهای الکتریکی، تقاضا برای گرافیت پولکی افزایش یافته است. این نوع گرافیت، در پیل‌های سوختی نیز به کار می‌رود. از دیگر کاربردهای مهم گرافیت فلیک می‌توان به ساخت باترهای وانادیومی و اجرای بستر راکتورهای هسته‌ای اشاره کرد.

گرافیت در باتری

گرافیت وین چیست ؟

«گرافیت وین» (Vein Graphite)، یکی دیگر از انواع کانی گرافیت است که به صورت دانه‌های بلوری الیافی یا سوزنی‌شکل یافت می‌شود. به عقیده زمین‌‌شناسان، این نوع گرافیت بر اثر واکنش‌های هیدروترمال به وجود می‌آید. منشا احتمالی گرافیت وین، ذخایر نفت خامی است که طی دوره‌های طولانی، تحت فشار و دمای بسیار بالا قرار گرفته‌اند. رگه‌های این کانی، بسیار کوچک هستند و بین 5 تا 10 سانتی‌متر ضخامت دارند. خلوص کربن در گرافیت وین، به بیش از 70 تا 99 درصد می‌رسد. این نوع گرافیت، در تمام کشورهای دنیا یافت می‌شود. با این وجود، تولیدکننده اصلی آن در مقیاس تجاری، کشور سریلانکا است.

کانی گرافیت وین
نمونه‌ای از گرافیت وین در کانسارهای گرافیت سریلانکا

کاربرد گرافیت وین

کاربردهای گرافیت وین، به کاربردهای گرافیت آمورف و فلیک شباهت دارد. این کانی، معمولا در ساخت قطعات تحت دما و اصطکاک بالا به کار می‌رود. گرافیت وین نیز مانند گرافیت آمورف، به منظور ساخت ترمز و کلاچ خودروها مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کانی، مانند گرافیک پولکی، عملکرد بسیار خوبی را در قطعات ساخته شده برای هدایت الکتریکی و حرارتی بالا از خود به نمایش می‌گذارد.

گرافیت قابل انبساط چیست ؟

به یک لایه از گرافیت، «صفحه گرافین» (Graphene Sheet) می‌گویند. گرافیت و گرافین قابل انبساط، معمولا با کشیدن لایه‌های کربن در گرافیت فلیک ساخته می‌شوند. این مواد، معمولا به عنوان پیشگیرنده شعله مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخلاف دیگر مواد پیشگیرنده شعله، گرافیت و گرافین عاری از هالوژن‌ها و فلزات سنگین هستند و هزینه پایینی دارند. از این‌رو، می‌توان از آن‌ها در حوزه‌های مختلف استفاده کرد.

گرافیت کم سولفور چیست ؟

«گرافیت کم سولفور» (Low Sulfur Graphite)، «کک نفتی گرافیتی» (Graphite Petroleum Coke) یا به اختصار «GPC»، یکی از انواع کک‌های نفتی است که محتوای سولفور آن به کمتر از 0/05 درصد می‌رسد. این نوع گرافیت، به منظور تولید آلیاژهای آهنی نظیر چدن نشکن و فولاد مورد استفاده قرار می‌گیرد. به علاوه، گرافیت کم‌سولفور، در صنایع پلاستیک و لاستیک‌سازی نیز کاربرد دارد. این ماده، در کوره گرافیت‌زایی با دمای حدود 3000 درجه تولید می‌شود. خلوص کربن در گرافیت کم‌سولفور، حدود 98 تا 99 درصد است.

گرافیت پر سولفور چیست ؟

«گرافیت پر سولفور» (Low Sulfur Graphite)، «کک نفتی کلسینه» (Calcined Petroleum Coke) یا به اختصار «CPC»، یکی از انواع کک‌های نفتی است که طی فرآیند تکلیس به وجود می‌آید. مقدار سولفور در این ماده، به حداکثر 0/5 درصد می‌رسد. گرافیت پرسولفور، به منظور ساخت آند برای تصفیه آلومینیم، فولاد و تیتانیوم مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کک نفتی، در کوره‌ای با دمای بیش از 1500 درجه سانتی‌گراد تشکیل می‌شود. درصد خلوص کربن در گرافیت پرسولفور، حدود 98/5 درصد است.

زمان تصفیه گرافیت کم‌سولفور، بیشتر از همین زمان برای گرافیت پرسولفور است. این دو ماده، تقریبا کاربرد یکسانی دارند. البته در صنایع فولادسازی، گرافیت کم‌سولفور ترجیح داده می‌شود؛ چراکه وجود گوگرد زیاد، بر روی خواص ساختاری آلیاژهای آهنی تاثیر می‌گذارد. با وجود هزینه بالاتر GPC نسبت به CPC، هزینه تمام شده به کارگیری آن پایین‌تر است. به همین دلیل، بسیاری از کارخانه‌های فولادسازی، به سمت استفاده از این ماده روی آورده‌اند.

گرافیت مایع چیست ؟

«گرافیت مایع» (Liquid Graphite)، ترکیب پودر کانی گرافیت با محلول مبتنی بر آب است. این ماده، به منظور طراحی و ترمیم مدارها و قطعات پلاستیکی وسایل الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. گرافیت مایع، در کمپرسورهای هوا، ماشین‌آلات صنایع غذایی، ولوها، بلبرینگ، تجهیزات ماشین‌کاری و غیره کاربرد دارد. گرافیت مایع، برای روان‌کاری نیز به کار گرفته می‌شود.

گرافیت هسته ای چیست ؟

به هر نوع گرافیتی که در ساخت تجهیزات مورد استفاده در راکتورهای هسته‌ای (نظیر رفلکتور یا آرام‌کننده نوترون) به کار گرفته شود، «گرافیت هسته‌ای» (Nuclear Graphite) می‌گویند. گرافیت، خلوص بالای گرافیت و مقاومت قابل‌توجه آن در برابر حرارت، این ماده را به یک گزینه عالی برای ساخت راکتورهای هسته‌ای تبدیل می‌کند. اغلب گرافیت‌های هسته‌ای، مصنوعی هستند.

کانی گرافیت در راکتور هسته ای

اکتشاف و استخراج کانی گرافیت چگونه انجام می شود ؟

اکتشاف، استخراج و فرآوری کانی گرافیت، روش‌های مختلفی دارد که در بخش‌های مختلف این بخش به اختصار آن‌ها را توضیح می‌دهیم. علاوه بر این، فراوانی گرافیت بر روی زمین و تولیدکنندگان بزرگ این کانی پرکاربرد را نیز معرفی می‌کنیم.

اکتشاف کانی گرافیت به چه روش هایی انجام می گیرد ؟

اکتشاف کانی گرافیت، مانند اکتشاف دیگر کانی‌ها، معمولا با مشاهده یک رخنمون آغاز می‌شود. سپس، برای به دست آوردن اطلاعات تکمیلی، روش‌های دیگری نظیر برداشت زمین‌شناسی، حفر ترانشه، ژئوفیزیک، حفاری گمانه، عیارسنجی محتوای گرافیت و آزمایش‌های کانی‌شناسی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در صورت مناسب بودن داده‌های به دست آمده توسط این روش‌ها، نوبت تخمین ذخیره گرافیت می‌رسد. در مراحل اولیه تخمین ذخیره، هندسه، تناژ و محتوای گرافیت در کانسار به دست می‌آید.

اغلب کشورها بر روی اکتشاف گرافیت فلیک تمرکز می‌کنند. این نوع گرافیت، در کانسارهای عدسی‌شکل با ضخامت، گسترش و شیب متفاوت (افقی تا پرشیب) ظاهر می‌شود. در این بخش، فرآیند معمول برای اکتشاف گرافیت را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

اکتشاف گرافیت به روش ژئوفیزیک

روش‌های ژئوفیزیک، امکان ارزیابی غیرمستقیم خصوصیات زمین‌شناسی و کانی‌شناسی یک ناحیه را فراهم می‌کنند. کانی گرافیت، معمولا به همراه کانی‌های فلزی سولفات‌دار نظیر پیریت و پیروتیت یافت می‌شود. این کانی‌های فلزی، دارای خاصیت هدایت الکتریکی هستند. از این‌رو، بهترین روش ژئوفیزیکی برای اکتشاف گرافیت، استفاده از دستگاه‌های سنجش خاصیت الکترومغناطیس است.

اکتشاف کانی به روش ژئوفیزیک

اکتشاف گرافیت به روش حفاری ترانشه و گمانه

از دیگر روش‌های اکتشاف گرافیت می‌توان به حفر ترانشه رخنمون‌های شیستی اشاره کرد. در این روش، نمونه‌های حاصل از سنگ‌های هوازده یا سالم به منظور آزمایش و تعیین درصد کانی‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. حفر ترانشه، هزینه نسبتا پایینی دارد و امکان ردیابی کانی مورد نظر را پیش از نیاز به حفر گمانه‌های اکتشافی فراهم می‌کند.

ترانشه حفر شده در رخنمون کانسار گرافیت
ترانشه‌های حفر شده برای تهیه نمونه از رخمنون‌های گرافیتی

پس از حفر ترانشه، نوبت به حفاری گمانه‌های اکتشافی می‌رسد. با وجود هزینه بالای حفر گمانه، داده‌های حاصل از آن، از قابلیت اطمینان بالایی برخوردار است. این مرحله، امکان دسترسی مستقیم به کانی گرافیت موجود در اعماق زمین را فراهم می‌کند. تصویر زیر، نمونه‌های به دست آمده از مغزه‌گیری در کانسارهای گرافیت را نمایش می‌دهد.

مغزه های کانسار حاوی گرافیت

انجام آزمون های کنترل کیفی بر روی نمونه گرافیت

پس از مغزه‌گیری، نمونه‌های سنگی برای انجام آزمون‌های مختلف به آزمایشگاه منتقل می‌شوند. برای اطمینان از نتایج آزمایش‌ها، معمولا یک آزمایشگاه مستقل نیز نمونه‌های مشابه را مورد بررسی قرار می‌دهد. اگر نتایج به دست آمده از آزمایش‌ها رضایت‌بخش باشند، کانسار گرافیت، یک قدم به استخراج نزدیک‌تر می‌شود.

تعیین محتوای کربن در کانسار حاوی گرافیت

در این مرحله، میزان کربن موجود در نمونه‌ها به دست می‌آید. کربن می‌تواند به شکل‌های مختلفی نظیر کربن آلی، کانی کربناته یا گرافیت در سنگ‌ها وجود داشته باشد. با توجه به روش آزمون، کربن موجود در سنگ به صورت کربن کل یا کربن گرافیتی بیان می‌شود. ساده‌ترین روش برای تعیین عیار کربن در گرافیت، رساندن دمای نمونه به 1000 درجه سانتی‌گراد و اندازه‌گیری کربن باقی‌مانده از آن است. در این روش، میزان کربن کل به دست می‌آید. در صورت نیاز به محاسبه کربن گرافیتی، میزان کربن موجود در مواد آلی و کانی‌های کربناته، از محاسبات کم می‌شود.

کانی شناسی کانسار حاوی گرافیت

در آزمایشگاه کانی‌شناسی، نمونه‌های مغزه‌گیری شده را برای پیدا کردن کربن گرافیتی و دیگر عناصر مورد بررسی قرار می‌دهند. این مرحله، معمولا با استفاده میکروسکوپ‌های نوری انجام می‌گیرد. سپس، برای به دست آوردن اطلاعات دقیق‌تر، نمونه را درون دستگاه XRD قرار می‌دهند. به این ترتیب، میزان گرافیت موجود در کانسار به دست می‌آید. البته، این اطلاعات، برای تعیین میزان گرافیت قابل بازیابی، خلوص گرافیت و دانه‌بندی ذرات قابل بازیابی کافی نیستند. این اطلاعات، طی آزمایش‌های متالورژی حاصل می‌شوند.

نمونه حاوی الماس و گرافیت زیر میکروسکوپ

تخمین ذخیره گرافیت در کانسار

اصلی‌ترین مرحله برای تعیین اقتصادی یا غیراقتصادی بودن یک پروژه معدنکاری، تخمین ذخیره و عیار کانسار است. یکی از نرم‌افزارهای مهمی که در فرآیند تخمین ذخیره مورد استفاده قرار می‌گیرد، «دیتاماین» (Datamine) است. این نرم‌افزار، امکان ساخت مدل سه‌بعدی از کانسار و مرزبندی سنگ‌های مختلف (باطله و ماده معدنی) را فراهم می‌کند. علاوه بر این، مدل‌سازی ساختارهای زمین‌شناسی نظیر چین، گسل و غیره نیز توسط دیتاماین صورت می‌گیرد.

مدل بلوکی ساخته شده در دیتاماین
المان‌های سیاه در این مدل بلوکی، موقعیت گمانه‌های مورد استفاده برای ساخت مدل را نمایش می‌دهند.

خروجی نهایی مدل‌سازی سه‌بعدی کانسار، یک مدل بلوکی مانند تصویر بالا است. این مدل، به برای تخمین ذخیره بر اساس تناژ و عیار استفاده می‌شود. دیتاماین به همراه نرم‌افزار «سورپک» (Surpac)، اصلی‌ترین ابزارهای کامپیوتری طراحی معدن در ایران به شمار می‌روند. البته نرم‌افزار اتوکد نیز در برخی از موارد به منظور ساخت ازبیلت و محاسبه برخی از احجام به کار گرفته می‌شود.

پس از تخمین ذخیره و انجام تحلیل‌های اقتصادی، روش‌های استخراج مناسب برای تولید کانی گرافیت مورد ارزیابی قرار می‌گیرند.

استخراج کانی گرافیت به چه روش هایی انجام می گیرد ؟

استخراج کانی گرافیت به هر دو روش زیرزمینی و روباز انجام می‌گیرد. انتخاب بین این دو روش، به عوامل متعددی نظیر شکل، عمق، جهت‌گیری، عیار، جنس کمر بالا و دیگر مشخصات هندسی یا مقاومتی بستگی دارد. به عنوان مثال، کانسارهای گرافیت در کشور سریلانکا، معمولا به روش زیرزمینی استخراج می‌شوند. این کانسارها، در سنگ‌های دگرگونی اعماق زمین یافت می‌شوند.

عیار بالای گرافیت در این کانسارها (خلوص بالای 90 درصد تا 99/5 درصد کربن)، استخراج زیرزمینی آن‌ها را از نظر اقتصادی توجیه می‌کند. هرچه عمق کانسار گرافیت به سطح زمین نزدیک‌تر باشد، استخراج آن به روش روباز به صرفه‌تر خواهد بود.

استخراج روباز کانی گرافیت

فرآوری کانی گرافیت به چه روش هایی انجام می گیرد ؟

پس از استخراج سنگ‌های حاوی کانی گرافیت، باطله‌ها به دمپ باطله و مواد معدنی به کارخانه فرآوری منتقل می‌شوند. چندین روش مختلف برای فرآوری گرافیت وجود دارد. برخی از این روش‌ها عبارت هستند از:

  • فلوتاسیون
  • جدایش ثقلی
  • جدایش الکتریکی
  • فلوکولاسیون انتخابی
  • لیچینگ با آلکالین اسید
  • تشویه کلریدی
  • تشویه حرارتی

از میان روش‌های بالا، فلوتاسیون و جدایش ثقلی، رواج بیشتری نسبتا به روش‌های دیگر دارند. البته، انتخاب روش فرآوری، مانند انتخاب روش استخراج، به پارامترهای متعددی وابسته است. در اغلب موارد، سنگ معدنی پس از رسیدن به کارخانه فرآوری، به واحد خردایش اولیه منتقل می‌شود. هدف از خردایش اولیه، رساندن ابعاد سنگ‌ها، به اندازه مناسب برای خردایش ثانویه و یا فرآیندهای دیگر است. دانه‌بندی سنگ‌های خرد شده باید با روش فرآوری سازگار باشد تا بهره‌وری عملیات به بیشترین حد خود برسد.

فرآوری گرافیت به روش فلوتاسیون

کانی گرافیت، از ویژگی غوطه‌وری و آب‌گریزی خوبی برخوردار است. از این‌رو، بسیاری از کارخانه‌های فرآوری گرافیت، از روش شناورسازی کف یا اصطلاحا «فلوتاسیون» (Flotation) برای افزایش خلوص و جدایش این کانی از دیگر کانی‌های موجود در سنگ معدنی استفاده می‌کنند. در این روش، سنگ معدنی خرد شده، در مخزن بزرگی حاوی یک ترکیب شیمیایی مایع-گاز (کف) ریخته می‌شود.

فرآوری گرافیت به روش فلوتاسیون

کف موجود در این مخزن، ذرات گرافیت را به سطح حباب‌های خود جذب می‌کنند و آن‌ها را به بالای مخزن انتقال می‌‌دهد. با تجمع ذرات در سطح، گرافیت با درصد خلوص بالا به دست می‌آید. در نهایت، این گرافیت از روی سطح مخزن جدا شده و برای خشک کردن رطوبت حاصل از حباب‌ها، به محل دیگری منتقل می‌شود.

فرآوری گرافیت به روش جدایش ثقلی

گرافیت، کانی نسبتا سبک (با چگالی 2/3 کیلوگرم بر متر مربع) است. اختلاف چگالی این کانی با کانی‌های همراه، امکان فرآوری آن به روش جدایش ثقلی را فراهم می‌کند. تجهیزات متنوعی برای اجرای این روش وجود دارد. جیگ، هیدروسیکلون، میز لرزان، ناو شستشو و اسپیرال، از رایج‌ترین تجهیزات مورد استفاده برای جدایش ثقلی هستند.

جدا کننده ثقلی
دستگاه جداکننده ثقلی با مکانیزم ایجاد نیروی گریز از مرکز

فرآوری گرافیت به روش جدایش الکتریکی

روش جدایش الکتریکی، برای فرآوری موادی مورد استفاده قرار می‌گیرد که خواص الکتریکی آن‌ها با کانی‌های اطرافشان تفاوت دارد. به عنوان مثال، گرافیت از هدایت الکتریکی خوبی برخوردار است؛ در صورتی که هدایت الکتریکی کانی‌های باطله همراه آن، یعنی فلدسپات، کوارتز و پیریت، زیاد نیست. این اختلاف در خواص الکتریکی، امکان جدا کردن گرافیت از کانی‌های مذکور را فراهم می‌کند. ابعاد بهینه برای به کارگیری جدایش الکتریکی، بین 0/1 تا 2 میلی‌متر است. البته برای گرافیت فلیک یا گرافیت سبک، این ابعاد می‌تواند به 5 میلی‌متر نیز برسد. از طرف دیگر، در صورت استفاده از تجهیزات قدرتمند، بازه پایینی ابعاد ذرات را می‌توان تا حد میکرون کاهش داد.

فراوانی کانی گرافیت در پوسته زمین چقدر است ؟

گرافیت، یک کانی نسبتا فراوان بر روی پوسته زمین است. این کانی تقریبا در بسیاری از نقاط دنیا زمین یافت می‌شود. البته، کانسارهای حاوی گرافیت در آسیا، بسیار بیشتر از دیگر نقاط دنیا هستند. طبق آمارهای سال 2022 میلادی (سال 1401 شمسی)، میزان ذخایر گرافیت به بیش از 800 میلیون تن می‌رسد.

بزرگ ترین تولیدکنندگان کانی گرافیت در جهان کدام هستند ؟

ترکیه، چین، برزیل، ماداگاسکار، موزامبیک، تانزانیا، هند، ازبکستان و مکزیک، از جمله کشورهای دارای ذخایر بالای گرافیت به شمار می‌روند. سه کشور اول (ترکیه، چین و برزیل)، بیش از 70 درصد از ذخایر گرافیت جهان را به خود اختصاص می‌دهند. از این میان، کشور چین، با تولید بیش از 850 هزار تن گرافیت (نزدیک به 70 درصد از تولید سالانه گرافیت)، در رتبه اول قرار می‌گیرد.

کاربردهای کانی گرافیت چیست ؟

در بخش‌های قبلی، به معرفی انواع گرافیت‌ها و کاربردهای آن‌ها پرداختیم. در این بخش، قصد داریم کاربردهای اصلی گرافیت در هر صنعت را به طور جداگانه مورد بررسی قرار دهیم.

کاربرد گرافیت در صنعت نوشت افزار

عبارت گرافیت، از یک کلمه یونانی به معنای «نوشتن» گرفته شده است. این وجه تسمیه، به کاربرد رایج و اصلی گرافیت، یعنی استفاده از آن در ساخت نوشت‌افزاهایی نظیر مداد اشاره دارد. مغز مداد از ترکیب کانی گرافیت با کانی رس تشکیل می‌شود. به این ترکیب، آمورف گرافیت می‌گویند.

مغز مداد و کانی گرافیت

کاربرد گرافیت در روان‌سازها

کانی گرافیت، یکی از مواد اصلی مورد استفاده در ساخت روان‌سازهایی نظیر گریس است. این کانی، با بخار آب درون جو واکنش می‌دهد و باعث ایجاد غشا یا لایه‌ای نازک بر روی سطوح می‌شود. به این ترتیب، اصطکاک سطح کاهش می‌یابد. به طور کلی، گرافیت یک ماده مناسب برای ساخت قطعاتی است که به طور مداوم در معرض اصطکاک قرار می‌گیرند. از این‌رو، این ماده، در ساخت آستر ترمز و کلاچ خودرو به کار می‌رود.

کاربرد گرافیت در پوشش دهی

کانی گرافیت، دافع آب است. این ویژگی، گرافیت را به یک ماده خوب برای ایجاد پوشش محافظ سطوح چوبی و دیگر سطوح حساس به رطوبت تبدیل می‌کند. به همین دلیل، پودر گرافیت، در رنگ‌کاری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کاربرد گرافیت در تولید فولاد و دیگر آلیاژهای فلزی

فولاد، محلول جامد آهن و کربن است. ترکیب کربن با آهن، استحکام و مقاومت آن در برابر ضربه را افزایش می‌دهد. البته در صورت زیاد بودن میزان کربن، شکل‌پذیری فولاد کاهش یافته و شکنندگی آن افزایش می‌یابد. کاربرد اصلی گرافیت در فولادسازی، افزایش محتوای کربن این آلیاژ آهنی است. این ماده برای روان‌کاری قالب‌های مورد استفاده در کشش فولاد داغ نیز به کار می‌رود. ترکیب گرافیت با دیگر فلزات، مقاومت آن‌ها در برابر خوردگی را بهبود می‌بخشد. به همین دلیل، این ماده در ترکیب برخی از آلیاژهای مسی نیز استفاده می‌شود.

کاربرد گرافیت در صنایع الکترونیکی

گرافیت، تنها ماده غیرفلزی با خاصیت هدایت الکتریکی است. این مشخصه به همراه قابلیت پراکنده‌سازی حرارت، گرافیت را به یک گزینه بسیار مناسب برای ساخت قطعات الکترونیکی تبدیل می‌کند. از کاربردهای اصلی کانی گرافیت در صنایع الکترونیکی می‌توان به ساخت قطعات بسیار کوچک، نیمه‌رساناها، موتورها، ژنراتورها، ماشین‌های سنکرون، کاشت یون و تولید باتری اشاره کرد.

ابعاد قطعات الکترونیکی، روز به روز کوچک‌تر می‌شود. این موضوع، استفاده از نانولوله‌های کربنی را با اقبال زیادی رو به رو کرده است. ساخت نانولوله‌های کربنی، توسط لایه‌های گرافیت یا همان گرافین صورت می‌گیرد. گرافین، هدایت الکتریکی قابل‌‌توجهی دارد. به علاوه، این ماده، از مقاومت و سختی بسیار بالایی بهره می‌برد. کاربرد گرافیت در صنعت نیمه‌رساناها، چیز جدیدی نیست. تولید این ماده برای ساخت قطعات الکترونیکی نیمه‌رسانا، به دهه‌ها سال پیش بازمی‌گردد.

کانی گرافیت در قطعات الکترونیکی

موتورها و ژنراتورها، معمولا از یک قسمت ثابت و یک قسمت متحرک تشکیل می‌شوند. جاروبک‌ها، وظیفه انتقال جریان بین این دو بخش را برعهده دارند. ساخت این قطعات، توسط مواد گرافیتی انجام می‌گیرد. علاوه بر این، گرافیت در ساخت میکروچیپ‌های کامپیوترهای پیشرفته، خازن‌ها، ترانزیستورها و باتری‌ها نیز به کار می‌رود.

کاربرد گرافیت در صنایع نظامی

گرافیت می‌تواند مانع گسترش امواج الکترومغناطیس شود. از این خاصیت برای ساخت تجهیزات ضد رادار استفاده می‌شود. یکی دیگر از کاربردهای گرافیت در صنایع نظامی، ساخت بمب‌های گرافیتی است. این بمب‌ها، قدرت تخریب ندارند و به منظور از کار انداختن تاسیسات برقی مورد استفاده قرار می‌گیرند. لایه‌های گرافیت (گرافین)، در عین سبک بودن، از استحکام بسیار بالایی بهره می‌برند. از این خاصیت گرافیت برای تولید تجهیزات نظامی سبک و مقاوم استفاده می‌شود.

سوالات مرتبط در رابطه با کانی گرافیت

در این بخش، به برخی از سوالات پرتکرار در رابطه با کانی گرافیت به طور مختصر پاسخ می‌دهیم.

نماد گرافیت در شیمی چیست ؟

نماد گرافیت در شیمی، حرف C است.

فرمول شیمیای گرافیت چیست ؟

فرمول شیمیایی گرافیت، حرف C (نماد عنصر کربن) است.

نحوه تشکیل کانی گرافیت چگونه است ؟

کانی گرافیت، حاصل دگرگونی رسوبات حاوی مواد کربناته است. این کانی، بر اثر واکنش ترکیبات دارای کربن با محلول‌های هیدروترمال/سیالات ماگمایی یا تبلور مواد مذاب حاوی کربن به وجود می‌آید.

گرافیت چه کاربردی دارد ؟

متداول‌ترین کاربرد گرافیت، ساخت مداد، روان‌ساز و الکترود است.

انواع اصلی گرافیت چه هستند ؟

گرافیت آمورف، گرافیت فلیک و گرافیت وین، سه نوع اصلی گرافیت هستند.

گرافیت در کدام گروه از انواع کانی ها قرار می گیرد ؟

گرافیت، در گروه عناصر آزاد قرار دارد.

آیا کانی گرافیت دگرگونی است ؟

بله. کانی گرافیت، در سنگ‌های دگرگونی یافت می‌شود.

کانی گرافیت چه رنگی است ؟

کانی گرافیت، به رنگ خاکستری تیره یا مشکی است.

آلوتروپ های کربن کدام هستند ؟

عنصر کربن، از معدود عنصرهای دارای چندین فرم مختلف (آلوتروپ) است. از آلوتروپ‌های اصلی این عنصر می‌توان به گرافیت، گرافین و الماس اشاره کرد.

فرق گرافیت و گرافین در چیست ؟

گرافین، یکی دیگر از آلوتروپ‌های طبیعی کربن است. تفاوت اصلی گرافیت و گرافین، تعداد لایه‌های کربن در ساختار اتمی آن‌ها است. گرافین، از یک لایه منفرد کربن تشکیل می‌شود؛ در حالیکه گرافیت، از اتصال چندین لایه کربن به وجود می‌آید.

فرق گرافیت و الماس در چیست ؟

فرق اصلی گرافیت و الماس، ساختار بلوری آن‌ها است.

کانی گرافیت به چه روشی استخراج می شود ؟

کانی گرافیت، به روش‌های مختلف معدنکاری روباز و زیرزمینی استخراج می‌‌شود.

کانی گرافیت در کجا یافت می شود ؟

گرافیت، اغلب در سنگ‌های دگرگونی نظیر مرمر، شیست و گنایس یافت می‌شود. اماکن اکتشاف این کانی در لایه‌های زغال و شیل‌های غنی از مواد آلی نیز وجود دارد.

روش های اکتشاف گرافیت چه هستند ؟

شناسایی رخنمون‌ها، مغناطیس‌سنجی (یکی از شاخه‌های ژئوفیزیک)، حفر ترانشه و گمانه‌زنی، از روش‌های اکتشاف کانی گرافیت هستند.

آیا گرافیت سنگ است ؟

خیر. گرافیت یک کانی است.

سنگ گرافیت چیست ؟

کانی گرافیت در طبیعت، دارای خلوص 100 درصدی نیست و به همراه عناصر و کانی‌های دیگر یافت می‌شود. به سنگ حاوی گرافیت و ناخالصی‌های آن، سنگ گرافیت می‌گویند.

روش های استخراج گرافیت چه هستند ؟

استخراج زیرزمینی و روباز، از روش‌های استخراج کانی گرافیت هستند.

روش های فرآوری گرافیت چه هستند ؟

فلوتاسیون، جدایش ثقلی، جدایش الکتریکی، فلوکولاسیون انتخابی، لیچینگ با آلکالین اسید، تشویه کلریدی و تشویه حرارتی، از روش‌های مورد استفاده برای فرآوری کانی گرافیت هستند.

pH گرافیت چند است ؟

pH گرافیت تقریبا برابر با 5 است.

آیا گرافیت با اسید واکنش می دهد ؟

خیر. به دلیل کاهنده بودن گرافیت، امکان جایگزینی اتم‌های آن به جای اتم‌های هیدروژن در ترکیب اسیدها وجود ندارد. به همین دلیل، گرافیت با اکثر اسیدها واکنش نمی‌دهد. البته این کانی با نیتریک اسید گرم واکنش می‌دهد.

 گرافیت مایع چیست ؟

گرافیت مایع، مخلوط پودر گرافیت با سوسپانسیون آبی است.

آیا گرافیت رسانا است ؟

بله. گرافیت، یکی از بهترین مواد رسانای الکتریکی است.

آیا گرافیت حرارت را انتقال می دهد ؟

بله. کانی گرافیت، از خاصیت هدایت حرارتی مناسبی برخوردار است.

ناخالصی های گرافیت چه هستند ؟

آهن، کلسیم، منیزیم، سیلیسیم، آلومینیوم، سدیم، مس، نیکل، کبالت و روی، از ناخالصی‌های رایج در ترکیب شیمیایی گرافیت هستند.

پودر گرافیت چیست ؟

پودر گرافیت، ذرات ریزدانه کانی گرافیت است که معمولا برای ساخت بوته آهنگری و دیگر مواد دیرگداز، روان‌ساز، رنگ، صیقل کوره، مغز مداد، الکترود، آستر لنت، متالورژی پودری، کود، شیشه، پوشش رسانا و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد.

آیا گرافیت یک کانی کمیاب و نادر است ؟

خیر. کانی گرافیت، یک کانی نسبتا فراوان به شمار می‌رود.

کانی های همراه گرافیت چه هستند ؟

کانی گرافیت، معمولا به همراه کانی‌های دیگری نظیر کوارتز، کلسیت، میکا و تورمالین یافت می‌شود.

سنگ های همراه گرافیت چه هستند ؟

از سنگ‌های همراه گرافیت می‌توان به مرمر، شیست، گنایس، زغال‌سنگ و شیل اشاره کرد.

بزرگ‌ترین تولیدکننده گرافیت در جهان چه کشوری است ؟

کشور چین، بزرگ‌ترین تولیدکننده گرافیت در جهان محسوب می‌شود.

آیا گرافیت با آب واکنش می دهد ؟

خیر. آلوتروپ‌های کربن نظیر گرافیت و الماس، با آب واکنش نمی‌دهند.

گرافیتی چیست ؟

گرافیتی، هنر نوشتن متن و کشیدن نقاشی بر روی دیوار یا دیگر سطوح در امکان عمومی است.

بر اساس رای ۱۰ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.
منابع:
مجله فرادرسWikipediaGeologyByjusInvestingNewsENMUMiningPediaCSAGlobalLinkedin
نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *