Detaillierte Analyse: Was ist hochreine Quarztechnologie?

Hochreiner Quarz bezieht sich auf Quarzserienprodukte mit einer SiO2-Reinheit von über 99,9%. Es ist die Materialgrundlage für High-End-Produkte in der Siliziumindustrie und wird häufig in Branchen wie Photovoltaik, elektronische Informationen, optische Kommunikation und Elektrolumineszenzquellen verwendet. Es nimmt eine wichtige Position und Rolle in den strategisch aufstrebenden Branchen für neue Materialien und neue Energien ein.

Basierend auf der Reinheit von SiO2 kann es in folgende Klassen eingeteilt werden:

• Low-End mit SiO2 ≥ 99,9% (3N)
• Mittelwert mit SiO2 ≥ 99,99% (4N)
• High-End mit SiO2 ≥ 99,998% (4N8)

Es kann auch basierend auf der Gesamtmenge an Verunreinigungselementen wie Al, B, Li, K, Na, Ca, Mg, Ti, Fe, Mn, Cu, Cr, Ni usw. in folgende Klassen eingeteilt werden:

• Unteres Ende ≤ 1000×10^-6
• Mitte-Ende ≤ 100×10^-6
• Oberklasse ≤ 20×10^-6

Jeder Reinheitsgrad von hochreinem Quarz kann in Varianten wie 40–80 Mesh, 80–140 Mesh, 80–200 Mesh, 80–300 Mesh usw. unterteilt werden.

Die hochreine Quarztechnologie ist ein systematisches Ingenieurprojekt, das die Technologie zur Auswahl hochreiner Quarzrohstoffe, die Verarbeitungstechnologie, die Technologie der Verarbeitungsgeräte und die Technologie zur Qualitätsprüfung umfasst. Diese Aspekte sind sowohl unabhängig als auch miteinander verbunden und bilden ein umfassendes technologisches Ganzes.

Ursprünglich wurde hochreiner Quarz aus Naturkristallen erster und zweiter Güte hergestellt. Naturkristalle entstehen in der Regel in Kristallhohlräumen unter bestimmten geologischen Bedingungen. Die Spezifität ihrer Entstehung führt zu zwei inhärenten Mängeln:

1. Geringe Reserven und schlechte Bergbaubedingungen, die nach Jahren der Erschließung und Nutzung zwangsläufig zu Ressourcenknappheit, hohen Preisen und der Unfähigkeit führen, den Bedarf einer großindustriellen Produktion zu decken.

2. Die chemische Zusammensetzung von Mineralkristallen ist instabil und wird durch Veränderungen in der kristallinen Umgebung beeinflusst. Dies führt bei großindustriellen Anwendungen zu erheblichen Schwankungen in der chemischen Zusammensetzung der Rohstoffe, was die Standardisierung der Rohstoffe erschwert und den Anforderungen der Herstellung hochwertiger, hochreiner Quarzprodukte nicht gerecht wird.

Daher ist es notwendig, mit anderen Quarzmineralressourcen anzufangen, um das Problem des hochreinen Quarzrohstoffs grundlegend zu lösen, was im In- und Ausland den grundlegenden technischen Ansatz darstellt.

In den 1990er Jahren verarbeitete Japan transparenten hochreinen Quarz, wobei es feinkörnigen Quarzit als Rohstoff verwendete.

Russland und Deutschland verarbeiten hochreinen Quarz aus den Rohstoffen Gangquarz und metamorphem Quarzit.

In den 1980er Jahren verarbeitete das amerikanische Unternehmen PPCC hochreinen Quarz aus Granit aus der Gegend von Foxdale an der Nordwestküste Englands als Rohstoff für westeuropäisches Quarzglas. Die SiO2-Reinheit des Produkts betrug 4N, der Fe-Gehalt < 1×10^-6 und der Gehalt anderer Verunreinigungselemente < 5×10^-6.

Ab den 1990er Jahren begann das amerikanische Unternehmen Unimin mit der Erschließung und Nutzung des Pegmatitgranits in der Region Spruce Pine in North Carolina. Es entwickelte hochreine Quarzserienprodukte wie IOTA-STD (Standardqualität), IOTA-4, IOTA-6 und IOTA-8, die den internationalen Markt nahezu monopolisierten und zum internationalen Standard wurden.

Es ist offensichtlich, dass Quarzmineralressourcen, abgesehen von den sechs oben genannten Naturkristallen, Gangquarzen und Granitquarzen, ideale Rohstoffe für die Verarbeitung von hochreinen Quarzprodukten der mittleren und oberen Preisklasse sind.

Nicht alle Gangquarze und Granitquarze können nach dem heutigen Stand der Verarbeitungstechnologie zu hochreinem Quarz verarbeitet werden. Nur sehr wenige, wenn nicht sogar äußerst seltene, können zu hochwertigen Produkten verarbeitet werden.

Das heißt, die Wahl von Gangquarz oder Granitquarz stellt nur die richtige allgemeine Richtung dar, sie löst nicht das zentrale Problem der Auswahl spezifischer Rohstoffe.

Der Hauptgrund dafür ist die Existenz unterschiedlicher, unterteilter Entstehungstypen von Gangquarz und Granit, die von den erzbildenden geologischen Bedingungen beeinflusst werden. Es gibt auch erhebliche Unterschiede in der Mineralogie, Petrologie und den Erzlagerstätteneigenschaften von Gangquarz und Granit desselben Entstehungstyps.

Berichten zufolge ist das amerikanische Unternehmen Unimin bei der Auswahl hochreiner Quarzrohstoffe sehr wählerisch und stellt strenge Anforderungen.

Auswahlkriterien für Unimin-Quarzrohstoffe: Das eine ist Quarz mit den geringsten Verunreinigungen in der Kristallstruktur, beispielsweise IOTA-STD-Aluminiumgehalt (14-18)×10^-6, IOTA-4-Aluminiumgehalt (8-10)×10^-6; das andere ist Quarz mit weniger Gas-Flüssigkeit-Einschlüssen, beispielsweise Pegmatit-Granit und Kristall.

Es hat sich gezeigt, dass der Gehalt an Verunreinigungselementen im Rohmaterial nicht einfach seiner Qualität entspricht. Vielmehr bezieht er sich auf die Selektivität der Verunreinigungen, die durch die prozessmineralogischen Eigenschaften des Rohmaterials bestimmt wird. Beispielsweise werden die Pegmatit-Gesteinsproben von Spruce Pine in den Vereinigten Staaten trotz ihres hohen Gehalts an Verunreinigungselementen als Rohstoffe für die High-End-Produkte von IOTA verwendet.

Derzeit umfassen die wichtigsten Verarbeitungstechnologien für hochreinen Quarz Sortierung, Waschen, chemische Säurelaugung, Flotation (sowohl fluorhaltige als auch fluorfreie Flotation), Schwerkrafttrennung, magnetische Trennung, Chlorierungsröstung und mikrobielle Laugung. Zu den verwendeten Rohstoffen gehören Gangquarz, Pegmatitgranit, Quarzit und Quarzsandstein.

Aderquarz ist eine magmatisch-hydrothermale Ader, die mit Granit verwandt ist und meist unregelmäßige Aderformen aufweist. Aderquarz ist reinweiß mit fettigem Glanz und hoher Reinheit, wobei sein SiO2-Gehalt 99% übersteigt. In China befinden sich Aderquarzminen hauptsächlich in Gebieten wie Jiangsu Donghai, Sichuan, Heilongjiang, Hubei usw. Der Landkreis Qichun in der Provinz Hubei verfügt über Quarzsteinreserven von über 100 Millionen Tonnen mit einem Siliziumgehalt von mehr als 99,98% und liegt damit landesweit an erster Stelle.

Quarzit entsteht durch eine Reihe von Metamorphosen und thermischem Kontakt aus Kieselgestein oder Quarzsandstein. Der Quarzmineralgehalt liegt im Allgemeinen über 85%. Quarzit wird häufig mit Turmalin, Zirkon, Glimmer, Feldspat und Tonmineralien in Verbindung gebracht und weist eine höhere Härte und Dichte als Quarzsandstein auf. Quarzitminen gibt es in Qinghai, Anhui, Liaoning, Shaanxi usw. und sind eine der Hauptquellen für kieselhaltige Mineralrohstoffe in China.

Quarzsandstein ist ein verfestigtes klastisches Gestein mit einem Quarzfragmentgehalt von mehr als 95%. Er wird oft mit Turmalin, Rutil, Magnetit, Glimmer, Feldspat und Tonmineralien in Verbindung gebracht. In China gibt es Quarzsandsteinminen in Sichuan, Hunan, Jiangsu, Zhejiang, Yunnan, Shandong usw. Sie sind die wichtigsten Rohstoffe für die Verarbeitung von Glas, Keramik, Guss und anderen Quarzindustriemineralien und -materialien.

Der Rohstoff für den hochreinen Quarzsand der amerikanischen Unimin TOTA-Serie ist Pegmatitgranit. Die Forschung auf diesem Gebiet könnte in China jedoch stärker sein, und es wurden keine Erfolge bei der Verarbeitung von hochreinem Quarzsand aus Pegmatitgranit gemeldet.

Im Vergleich zur allgemeinen Mineralaufbereitungstechnik weist die Anlage zur Aufbereitung von hochreinem Quarzsand die folgenden Eigenschaften auf:

Säurelaugung und Wasserwäsche sind wichtige Bestandteile der hochreinen Quarzsandverarbeitungstechnologie. Aufgrund der extrem hohen Anforderungen an die SiO2-Reinheit und des geringen Gehalts an Verunreinigungselementen in hochreinem Quarz muss die Reinheit der verwendeten Säuren und des Wassers entsprechende Anforderungen erfüllen. Andernfalls ist es schwierig, qualifizierte Produkte herzustellen.

Heißsäurelaugung spielt eine Schlüsselrolle bei der Reinigung von hochreinem Quarz. Eine der wichtigen chemischen Eigenschaften von Quarz ist seine ausgezeichnete Säurebeständigkeit (außer gegenüber HF), während andere metallische Verunreinigungskomponenten im Erz im Allgemeinen eine schlechte Säurebeständigkeit aufweisen. Dieser Effekt ist unter bestimmten Temperaturbedingungen noch ausgeprägter.

Die Säurelaugungstechnologie zur Verarbeitung von hochreinem Quarz nutzt dieses Prinzip zur chemischen Reinigung. Studien haben gezeigt, dass die Verwendung der geeigneten Säureformel entsprechend den Eigenschaften der mineralischen Rohstoffe Metallmineralien, eisenhaltige Mineralien, Karbonatmineralien und dünne Eisenschichten zwischen Quarzpartikeln in den Rohstoffen besser entfernen kann.

Wenn der Säureformelkombination eine bestimmte Menge HF-Säure zugesetzt wird, hat dies eine bessere Wirkung bei der Entfernung von Spuren von Glimmer und Feldspatverunreinigungen in den Rohstoffen. Daher werden häufig stark ätzende Reagenzien wie heiße Säure und HF-Säure verwendet.

Die Praxis hat gezeigt, dass bei der Reinigung von hochreinem Quarz alle Materialien, die mit den Rohstoffen in Kontakt kommen, wie z. B. Behälter, die Qualität der Proben erheblich beeinflussen. Eine strenge Kontrolle der Materialstandards in allen Verarbeitungsschritten von hochreinem Quarzsand ist der Schlüssel zur Qualitätssicherung.

Die Eigenschaften des hochreinen Quarzsandes SiO2 stellen sicher, dass es während des Produktionsprozesses zu keiner Verschmutzung kommt. Aufgrund des langen Verarbeitungsablaufs und der komplexen Technologie des hochreinen Quarzsandes ist es jedoch nicht einfach, den Produktionsprozess vollständig abzudichten.

Um eine Verschmutzung der Luft durch Staub zu verhindern, müssen bei der Produktion, Verpackung, Lagerung usw. strenge Anforderungen an die Luftumgebung gestellt werden.

Hohe Sicherheitsanforderungen: Die Produktionslinie, die mit stark ätzenden Reagenzien, giftigen Gasen (bei Verwendung von Chlorröstungen), hohen Temperaturen usw. betrieben wird, muss über höhere Produktionssicherheitsgarantien verfügen.

Die Besonderheit der oben genannten Prozessbedingungen bestimmt die hohen Anforderungen an die Produktionsanlagen zur Verarbeitung von hochreinem Quarz. Die Entwicklung sicherer, umweltfreundlicher, energiesparender und effizienter Produktionsanlagen ist die wichtigste Voraussetzung für die Realisierung von Skalierung und Industrialisierung.

Der Gesamtgehalt an Verunreinigungselementen wie Al, B, Li, K, Na, Ca, Mg, Ti, Fe, Mn, Cu, Cr, Ni usw. in den amerikanischen Unimin IOTA-STD-Produkten beträgt normalerweise < 20×10^-6, mit einem Maximalwert < 22×10^-6. Bei solchen hochreinen Substanzen können chemische Analysemethoden und Röntgenfluoreszenzspektroskopie (XRF) die Anforderungen an die Qualitätsprüfung nur schwer erfüllen.

Für die Erkennung von Metallelementen, insbesondere von Spurenmetallelementen, bietet die optische Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) die meisten Vorteile, da sie gute Nachweisgrenzen, hohe Nachweisgenauigkeit, geringen Zeitaufwand und hohe Empfindlichkeit aufweist. Derzeit ist ICP-OES eine wirksame Methode zur Erkennung chemischer Spurenbestandteile hochreiner Materialien.

Die ICP-Erkennungstechnologie ist eine wichtige Unterstützung und Komponente der hochreinen Quarztechnologie und hat praktische und theoretische Bedeutung für die Förderung der Entwicklung der hochreinen Quarztechnologie in China.

Hochreiner Quarz weist stabile physikalische und chemische Eigenschaften auf, mit Merkmalen wie einem geringen Verunreinigungsgehalt und einer schwierigen Erzauflösung. Beim Auflösen und Auslaugen von hochreinen Quarzdetektionsproben sind folgende grundlegende Faktoren beteiligt: Probengewicht, Reagenzkombination, Reagenzdosierung, Reagenzreinheit usw.

Diese Technologie umfasst die Probenvorbereitung und die Instrumentenerkennung, die zwei Hauptbestandteile sind. Die Schlüsseltechnologie ist die Auflösung und Auslaugungsvorbereitung der Probe.

Experimente haben gezeigt, dass im Probenvorbereitungsprozess das Probengewicht, die Reagenzkombination, die Reagenzdosierung und die verwendete Reagenzreinheit einen wichtigen Einfluss auf die ICP-Erkennungsergebnisse haben.

Die verwendete Menge an hochreinem Quarz beträgt ≥ 2000 mg; die Reinheit des Reagenzes entspricht einem hochreinen Grad (MOS oder BV-III), die Reagenzkombination ist HF+HNO3; konzentriertes HNO3 wird dreimal verwendet, mit einer Gesamtmenge von ≥ 5 ml; die HF-Dosierung beträgt 25 ml.

Aufgrund der verarbeitungstechnischen Eigenschaften und Reinheitsanforderungen an hochreinen Quarzsand dürfen während des gesamten Probenaufbereitungsprozesses keine Stahlsiebe verwendet werden, um eine Eisenverunreinigung zu vermeiden.

Darüber hinaus trägt die Auflösung und Auslaugung hochreiner Quarzproben unter ultrareinen Laborbedingungen dazu bei, eine Luftverschmutzung zu vermeiden und Erkennungsfehler zu reduzieren.

GlobalQT ist auf Quarzrohre und Quarzrohr-Heizungen spezialisiert und bietet maßgeschneiderte Lösungen für die hochreine Quarzindustrie weltweit. Wir setzen auf Qualität, wettbewerbsfähige Preise und die Erfüllung der spezifischen Anforderungen unserer Kunden. Für zuverlässigen Service und Fachwissen, arbeiten Sie mit GlobalQT. Kontaktieren Sie uns unter contact@globalquartztube.com.