Отримання високочистого терморозширеного графіту електрохімічним методом
Carbon materials with a graphite-like structure have the highest thermal stability in a non-oxidizing environment, sufficient structural strength, are easily processed, etc., and therefore they are widely used in various fields of technology. There are two methods of obtaining such materials: pyroly...
Збережено в:
| Дата: | 2024 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2024
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/755 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
Репозитарії
Chemistry, Physics and Technology of Surface| _version_ | 1856543964566388736 |
|---|---|
| author | Hrebelna, Yu. V. Terets, M. I. Demianenko, E. M. Grebenyuk, A. G. Siharova, N. V. Zhuravskyi, S. V. Ignatenko, O. M. Cherniuk, O. A. Sementsov, Yu. I. Kartel, M. T. |
| author_facet | Hrebelna, Yu. V. Terets, M. I. Demianenko, E. M. Grebenyuk, A. G. Siharova, N. V. Zhuravskyi, S. V. Ignatenko, O. M. Cherniuk, O. A. Sementsov, Yu. I. Kartel, M. T. |
| author_sort | Hrebelna, Yu. V. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2025-06-19T09:29:12Z |
| description | Carbon materials with a graphite-like structure have the highest thermal stability in a non-oxidizing environment, sufficient structural strength, are easily processed, etc., and therefore they are widely used in various fields of technology. There are two methods of obtaining such materials: pyrolysis or carbonization of hydrocarbons and processing of natural graphite, so-called “thermo-expanded graphite technology” (TRG), which consists of successive reactions of intercalation, hydrolysis and heat treatment of natural graphite, leads to modification of the surface of TRG particles and provides the ability to their pressing and rolling on rollers to form dense materials. Natural graphite with a carbon content of 99.0–99.5 % by mass is used for the production of TRG, from which sealing materials are obtained for the equipment of enterprises of general industrial purpose: the fuel and energy complex, the petrochemical industry, utilities, etc. In the equipment of nuclear power plants, materials from TRG, of so-called “atomic purity”, are used, in which the carbon content must be at least 99.85 % by mass. Therefore, the purpose of the work is to obtain thermally expanded graphite of high purity by the method of electrochemical oxidation and further purification of flotation-enriched graphite. The production process took place in two stages: electrochemical intercalation of graphite with concentrated sulfuric acid followed by hydrolysis, and chemical further purification using ammonium bifluoride and Trilon B as cleaning reagents. Combining into one process of electrochemical oxidation of graphite and its further purification allows obtaining high purity TRG with a carbon content of 99.94–99.96 % by mass.In order to find the regularities of the interaction of Trilon B with metal ions included in the composition of graphite impurities, quantum chemical modeling of these processes was carried out.The energy effect of the interaction of the iron (III) cation is greater in absolute value (–969.1 kJ/mol) than for the case with the aluminum cation (–748.3 kJ/mol) both in the aqueous medium and in the adsorbed state on the surface of the graphene plane (–816.9 for Fe3+ and –621.2 kJ/mol for Al3+).Regardless of the nature of the cation, its interaction with Trilon B is thermodynamically more likely in an aqueous solution than in an adsorbed state on the surface of a graphene-like plane. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:35:31Z |
| format | Article |
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-755 |
| institution | Chemistry, Physics and Technology of Surface |
| language | English |
| last_indexed | 2025-09-24T17:45:59Z |
| publishDate | 2024 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-7552025-06-19T09:29:12Z Preparation of high purity thermoexfoliated graphite by electrochemical method Отримання високочистого терморозширеного графіту електрохімічним методом Hrebelna, Yu. V. Terets, M. I. Demianenko, E. M. Grebenyuk, A. G. Siharova, N. V. Zhuravskyi, S. V. Ignatenko, O. M. Cherniuk, O. A. Sementsov, Yu. I. Kartel, M. T. thermally expanded graphite flotation-enriched graphite ammonium bifluoride Trilon B electrochemical oxidation density functional theory cluster approximation терморозширений графіт флотаційно збагачений графіт біфторид амонію трилон-б електрохімічне окиснення теорія функціонала густини кластерне наближення Carbon materials with a graphite-like structure have the highest thermal stability in a non-oxidizing environment, sufficient structural strength, are easily processed, etc., and therefore they are widely used in various fields of technology. There are two methods of obtaining such materials: pyrolysis or carbonization of hydrocarbons and processing of natural graphite, so-called “thermo-expanded graphite technology” (TRG), which consists of successive reactions of intercalation, hydrolysis and heat treatment of natural graphite, leads to modification of the surface of TRG particles and provides the ability to their pressing and rolling on rollers to form dense materials. Natural graphite with a carbon content of 99.0–99.5 % by mass is used for the production of TRG, from which sealing materials are obtained for the equipment of enterprises of general industrial purpose: the fuel and energy complex, the petrochemical industry, utilities, etc. In the equipment of nuclear power plants, materials from TRG, of so-called “atomic purity”, are used, in which the carbon content must be at least 99.85 % by mass. Therefore, the purpose of the work is to obtain thermally expanded graphite of high purity by the method of electrochemical oxidation and further purification of flotation-enriched graphite. The production process took place in two stages: electrochemical intercalation of graphite with concentrated sulfuric acid followed by hydrolysis, and chemical further purification using ammonium bifluoride and Trilon B as cleaning reagents. Combining into one process of electrochemical oxidation of graphite and its further purification allows obtaining high purity TRG with a carbon content of 99.94–99.96 % by mass.In order to find the regularities of the interaction of Trilon B with metal ions included in the composition of graphite impurities, quantum chemical modeling of these processes was carried out.The energy effect of the interaction of the iron (III) cation is greater in absolute value (–969.1 kJ/mol) than for the case with the aluminum cation (–748.3 kJ/mol) both in the aqueous medium and in the adsorbed state on the surface of the graphene plane (–816.9 for Fe3+ and –621.2 kJ/mol for Al3+).Regardless of the nature of the cation, its interaction with Trilon B is thermodynamically more likely in an aqueous solution than in an adsorbed state on the surface of a graphene-like plane. Вуглецеві матеріали з графітоподібною структурою мають найбільшу термічну стійкість за неокисного середовища, достатню конструкційну міцність, легко обробляються. Саме тому вони мають широке застосування в різних галузях техніки. Існують два методи одержання таких матеріалів: піроліз (карбонізація) вуглеводнів та переробка природного графіту - так звана «технологія терморозширеного графіту» (ТРГ), яка полягає в послідовних реакціях інтеркалювання, гідролізу та термообробки природного графіту. При цьому відбувається модифікація поверхні частинок ТРГ, що надає їм здатності до пресування та прокатування на вальцях з утворенням щільних матеріалів.Для виробництва ТРГ, із якого одержують ущільнюючі матеріали для обладнання підприємств загальнопромислового призначення (паливно-енергетичного комплексу, нафтохімічної промисловості, комунальних господарств тощо), використовують природний графіт із вмістом вуглецю 99.0–99.5 мас. %. В той час як для обладнання атомних електростанцій потрібні матеріали з ТРГ так званої «атомної чистоти», в яких вміст вуглецю має бути не нижче 99.85 мас. %.Тому метою роботи є розробка методики отримання терморозширеного графіту високої чистоти шляхом електрохімічного окиснення та доочистки флотаційно збагаченого графіту. Процес одержання складає два етапи: електрохімічне інтеркалювання графіту концентрованою сульфатною кислотою з подальшим гідролізом, і хімічна доочистка з використанням очищаючих реагентів - біфториду амонію та Трилону Б. Така доочистка електрохімічно окисненого графіту дозволяє одержати ТРГ високої чистоти з вмістом вуглецю 99.94–99.96 мас. %.Для встановлення закономірностей взаємодії Трилону Б з іонами металів, що входять до складу домішок графіту, було проведено квантовохімічне моделювання цих процесів.Енергетичний ефект взаємодії катіона заліза (ІІІ) за абсолютною величиною більший (–969.1 кДж/моль), ніж у випадку з катіоном алюмінію (–748.3 кДж/моль) як у водному середовищі, так і у адсорбованому стані на поверхні графенової площини (–816.9 для Fe3+ і –621.2 кДж/моль для Al3+).Незалежно від природи катіона, його вилучення Трилоном-Б є більш енергетично вигідним з водного розчину, ніж з адсорбованого на поверхні графеноподібної площини стану. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2024-11-23 Article Article application/pdf https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/755 10.15407/hftp15.04.583 Chemistry, Physics and Technology of Surface; Vol. 15 No. 4 (2024): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 583-593 Химия, физика и технология поверхности; Том 15 № 4 (2024): Chemistry, Physics and Technology of Surface / Himia, Fizika ta Tehnologia Poverhni; 583-593 Хімія, фізика та технологія поверхні; Том 15 № 4 (2024): Хімія, фізика та технологія поверхні; 583-593 2518-1238 2079-1704 10.15407/hftp15.04 en https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/755/773 Copyright (c) 2024 Yu. V. Hrebelna, M. I. Terets, E. M. Demianenko, A. G. Grebenyuk, N. V. Siharova, S. V. Zhuravskyi, O. M. Ignatenko, O. A. Cherniuk, Yu. I. Sementsov, M. T. Kartel |
| spellingShingle | терморозширений графіт флотаційно збагачений графіт біфторид амонію трилон-б електрохімічне окиснення теорія функціонала густини кластерне наближення Hrebelna, Yu. V. Terets, M. I. Demianenko, E. M. Grebenyuk, A. G. Siharova, N. V. Zhuravskyi, S. V. Ignatenko, O. M. Cherniuk, O. A. Sementsov, Yu. I. Kartel, M. T. Отримання високочистого терморозширеного графіту електрохімічним методом |
| title | Отримання високочистого терморозширеного графіту електрохімічним методом |
| title_alt | Preparation of high purity thermoexfoliated graphite by electrochemical method |
| title_full | Отримання високочистого терморозширеного графіту електрохімічним методом |
| title_fullStr | Отримання високочистого терморозширеного графіту електрохімічним методом |
| title_full_unstemmed | Отримання високочистого терморозширеного графіту електрохімічним методом |
| title_short | Отримання високочистого терморозширеного графіту електрохімічним методом |
| title_sort | отримання високочистого терморозширеного графіту електрохімічним методом |
| topic | терморозширений графіт флотаційно збагачений графіт біфторид амонію трилон-б електрохімічне окиснення теорія функціонала густини кластерне наближення |
| topic_facet | thermally expanded graphite flotation-enriched graphite ammonium bifluoride Trilon B electrochemical oxidation density functional theory cluster approximation терморозширений графіт флотаційно збагачений графіт біфторид амонію трилон-б електрохімічне окиснення теорія функціонала густини кластерне наближення |
| url | https://www.cpts.com.ua/index.php/cpts/article/view/755 |
| work_keys_str_mv | AT hrebelnayuv preparationofhighpuritythermoexfoliatedgraphitebyelectrochemicalmethod AT teretsmi preparationofhighpuritythermoexfoliatedgraphitebyelectrochemicalmethod AT demianenkoem preparationofhighpuritythermoexfoliatedgraphitebyelectrochemicalmethod AT grebenyukag preparationofhighpuritythermoexfoliatedgraphitebyelectrochemicalmethod AT siharovanv preparationofhighpuritythermoexfoliatedgraphitebyelectrochemicalmethod AT zhuravskyisv preparationofhighpuritythermoexfoliatedgraphitebyelectrochemicalmethod AT ignatenkoom preparationofhighpuritythermoexfoliatedgraphitebyelectrochemicalmethod AT cherniukoa preparationofhighpuritythermoexfoliatedgraphitebyelectrochemicalmethod AT sementsovyui preparationofhighpuritythermoexfoliatedgraphitebyelectrochemicalmethod AT kartelmt preparationofhighpuritythermoexfoliatedgraphitebyelectrochemicalmethod AT hrebelnayuv otrimannâvisokočistogotermorozširenogografítuelektrohímíčnimmetodom AT teretsmi otrimannâvisokočistogotermorozširenogografítuelektrohímíčnimmetodom AT demianenkoem otrimannâvisokočistogotermorozširenogografítuelektrohímíčnimmetodom AT grebenyukag otrimannâvisokočistogotermorozširenogografítuelektrohímíčnimmetodom AT siharovanv otrimannâvisokočistogotermorozširenogografítuelektrohímíčnimmetodom AT zhuravskyisv otrimannâvisokočistogotermorozširenogografítuelektrohímíčnimmetodom AT ignatenkoom otrimannâvisokočistogotermorozširenogografítuelektrohímíčnimmetodom AT cherniukoa otrimannâvisokočistogotermorozširenogografítuelektrohímíčnimmetodom AT sementsovyui otrimannâvisokočistogotermorozširenogografítuelektrohímíčnimmetodom AT kartelmt otrimannâvisokočistogotermorozširenogografítuelektrohímíčnimmetodom |