Analyse approfondie : qu'est-ce que la technologie du quartz de haute pureté ?

Le quartz de haute pureté fait référence aux produits de la série quartz avec une pureté SiO2 supérieure à 99,9%. Il constitue la base matérielle des produits haut de gamme de l'industrie du silicium, largement utilisé dans des secteurs tels que le photovoltaïque, l'information électronique, la communication optique et les sources électroluminescentes. Elle occupe une position et un rôle importants dans les industries émergentes stratégiques des nouveaux matériaux et des nouvelles énergies.

Sur la base de la pureté du SiO2, il peut être classé en :

• Bas de gamme avec SiO2 ≥ 99,9% (3N)
• Milieu de gamme avec SiO2 ≥ 99,99% (4N)
• Haut de gamme avec SiO2 ≥ 99.998% (4N8)

Il peut également être classé en fonction de la quantité totale d'éléments d'impuretés comme Al, B, Li, K, Na, Ca, Mg, Ti, Fe, Mn, Cu, Cr, Ni, etc., en :

• Bas de gamme ≤ 1000×10^-6
• Milieu de gamme ≤ 100×10^-6
• Haut de gamme ≤ 20×10^-6

Chaque degré de pureté de quartz de haute pureté peut être divisé en variétés telles que 40 à 80 mailles, 80 à 140 mailles, 80 à 200 mailles, 80 à 300 mailles, etc.

La technologie du quartz de haute pureté est un projet d'ingénierie systématique qui comprend une technologie de sélection des matières premières de quartz de haute pureté, une technologie de traitement, une technologie d'équipement de traitement et une technologie d'inspection de la qualité. Ces aspects sont à la fois indépendants et interdépendants, formant un tout technologique global.

Initialement, le quartz de haute pureté était traité à partir de cristaux naturels de première et de deuxième qualité. Les cristaux naturels se forment généralement dans des environnements de cavités cristallines sous certaines conditions géologiques. La spécificité de leur genèse se traduit par deux déficiences inhérentes :

1. Des réserves limitées et de mauvaises conditions d’exploitation minière qui, après des années de développement et d’utilisation, conduisent inévitablement à une pénurie de ressources, à des prix élevés et à une incapacité à répondre aux besoins d’une production industrielle à grande échelle.

2. La composition chimique des cristaux minéraux est instable et influencée par les changements de l'environnement cristallin. Cela entraîne des fluctuations importantes dans la composition chimique des matières premières dans les applications industrielles à grande échelle, ce qui rend la normalisation des matières premières difficile et incapable de répondre aux besoins de la production de produits à base de quartz haut de gamme et de haute pureté.

Ainsi, il est nécessaire de commencer par d’autres ressources minérales de quartz pour résoudre fondamentalement le problème des matières premières de quartz de haute pureté, qui constitue l’approche technique de base aux niveaux national et international.

Dans les années 1990, le Japon a traité du quartz transparent de haute pureté en utilisant du quartzite à grains fins comme matière première.

La Russie et l'Allemagne ont traité du quartz de haute pureté en utilisant du quartz veineux et du quartzite métamorphique comme matières premières.

Dans les années 1980, la société américaine PPCC traitait du quartz de haute pureté en utilisant le granit de la région de Foxdale, sur la côte nord-ouest de l'Angleterre, comme matière première pour le verre de quartz d'Europe occidentale. La pureté du SiO2 du produit était de 4N, la teneur en Fe < 1 × 10 ^ -6 et la teneur en autres impuretés < 5 × 10 ^ -6.

À partir des années 1990, la société américaine Unimin a commencé à développer et à utiliser efficacement le granite pegmatite de la région de Spruce Pine, en Caroline du Nord. Elle a développé des produits de série de quartz de haute pureté tels que IOTA-STD (qualité standard), IOTA-4, IOTA-6 et IOTA-8, monopolisant presque le marché international et devenant la norme internationale.

Il est évident qu'outre le cristal naturel, le quartz veineux et le quartz granite parmi les six genèses ci-dessus, les ressources minérales de quartz sont des matières premières idéales pour le traitement de produits à base de quartz de haute pureté de milieu de gamme et haut de gamme.

Tous les quartz veineux et quartz granitiques ne peuvent pas être transformés en quartz de haute pureté, compte tenu du niveau actuel de la technologie de transformation. Seuls quelques-uns, même exceptionnellement rares, peuvent être transformés en produits haut de gamme.

Autrement dit, choisir le quartz veineux ou le quartz granitique n’est que la bonne direction générale ; cela ne résout pas la question clé de la sélection spécifique des matières premières.

La raison principale est l'existence de divers types de genèse subdivisés de quartz et de granite filoniens, influencés par les conditions géologiques de formation du minerai. Il existe également des différences significatives dans les caractéristiques de la minéralogie, de la pétrologie et des gisements de quartz veineux et de granite du même type de genèse.

Selon certaines informations, la société américaine Unimin est très sélective en ce qui concerne les matières premières de quartz de haute pureté et a des exigences strictes.

Critères de sélection des matières premières Unimin Quartz : L'un est le quartz avec le moins d'impuretés dans la structure cristalline, telle que la teneur en aluminium IOTA-STD (14-18) × 10 ^ -6, la teneur en aluminium IOTA-4 (8-10) × 10 ^ -6 ; l'autre est du quartz avec moins d'inclusions gaz-liquides, comme le granite et le cristal de pegmatite.

Il a été démontré que la teneur en impuretés de la matière première ne correspond pas simplement à sa qualité. Il s'agit plutôt de la sélectivité des impuretés déterminée par les caractéristiques minéralogiques du procédé de la matière première. Par exemple, malgré la teneur élevée en impuretés des échantillons de roches pegmatites de Spruce Pine aux États-Unis, celles-ci sont utilisées comme matières premières pour les produits haut de gamme de l'IOTA.

Actuellement, les principales technologies de traitement du quartz de haute pureté comprennent le classement, le lavage, la lixiviation acide chimique, la flottation (flottation avec ou sans fluor), la séparation par gravité, la séparation magnétique, le grillage par chloration et la lixiviation microbienne. Les matières premières utilisées comprennent le quartz veineux, le granite pegmatite, le quartzite et le grès quartzeux.

Le quartz veineux est une veine magmatique-hydrothermale apparentée au granite, principalement sous forme de veines irrégulières. Le quartz veineux est d'un blanc pur avec un éclat gras et une grande pureté, avec sa teneur en SiO2 dépassant 99%. En Chine, les mines de quartz veineux sont principalement situées dans des régions telles que Jiangsu Donghai, Sichuan, Heilongjiang, Hubei, etc. Le comté de Qichun, dans la province du Hubei, possède des réserves de pierre de quartz dépassant 100 millions de tonnes avec une teneur en silicium de plus de 99,981 TP3T, se classant au premier rang dans le classement. pays.

Le quartzite est formé à partir de roches siliceuses ou de grès quartzeux par une série de métamorphoses et de contacts thermiques, avec une teneur en minéraux de quartz dépassant généralement 85%. Il est souvent associé à des minéraux de tourmaline, de zircon, de mica, de feldspath et d’argile, avec une dureté et une densité supérieures à celles du grès quartzeux. Les mines de quartzite sont réparties dans le Qinghai, l'Anhui, le Liaoning, le Shaanxi, etc. et constituent l'une des principales sources de matières premières minérales siliceuses en Chine.

Le grès quartzeux est une roche clastique consolidée avec une teneur en fragments de quartz supérieure à 95%. Il est souvent associé aux minéraux de tourmaline, de rutile, de magnétite, de mica, de feldspath et d’argile. En Chine, les mines de grès quartzeux sont réparties dans le Sichuan, le Hunan, le Jiangsu, le Zhejiang, le Yunnan, le Shandong, etc. Ce sont les principales matières premières pour le traitement du verre, de la céramique, de la fonderie et d'autres minéraux et matériaux industriels à base de quartz.

La matière première du sable de quartz de haute pureté de la série américaine Unimin TOTA est le granite pegmatite. Cependant, la recherche dans ce domaine pourrait être plus intense en Chine, et aucun résultat n'a été signalé dans le traitement du sable de quartz de haute pureté à partir du granite pegmatite.

Comparé à l'ingénierie générale de traitement des minéraux, l'équipement de traitement du sable de quartz de haute pureté présente les caractéristiques suivantes :

La lixiviation acide et le lavage à l’eau sont des maillons importants dans la technologie de traitement du sable de quartz de haute pureté. En raison des exigences de pureté extrêmement élevées du SiO2 et de la faible teneur en impuretés du quartz de haute pureté, la pureté des acides et de l'eau utilisés doit répondre aux exigences correspondantes ; sinon, il est difficile de fabriquer des produits qualifiés.

La lixiviation acide à chaud joue un rôle clé dans le traitement de purification du quartz de haute pureté. L'une des propriétés chimiques importantes du quartz est son excellente résistance aux acides (sauf pour le HF), tandis que les autres impuretés métalliques présentes dans le minerai ont généralement une faible résistance aux acides. Cet effet est plus prononcé dans certaines conditions de température.

La technologie de lixiviation acide de traitement du quartz de haute pureté utilise ce principe pour réaliser une purification chimique. Des études ont montré que l'utilisation de la formule d'acide appropriée en fonction des caractéristiques des matières premières minérales peut mieux éliminer les minéraux métalliques, les minéraux contenant du fer, les minéraux carbonatés et le film mince de fer entre les particules de quartz dans les matières premières.

Si une certaine quantité d'acide HF est ajoutée à la combinaison de formules d'acides, cela a un meilleur effet sur l'élimination des traces d'impuretés de mica et de feldspath dans les matières premières. Par conséquent, des réactifs fortement corrosifs tels que l’acide chaud et l’acide HF sont souvent utilisés.

La pratique a prouvé que lors du processus de purification du quartz de haute pureté, tous les matériaux en contact avec les matières premières, tels que les conteneurs, ont un impact significatif sur la qualité des échantillons. Un contrôle strict des normes matérielles dans tous les maillons de traitement du sable de quartz de haute pureté est la clé pour garantir la qualité.

Les caractéristiques du quartz SiO2 de haute pureté garantissent qu'il ne peut y avoir aucune pollution pendant le processus de production. Cependant, en raison du long flux de traitement et de la technologie complexe du sable de quartz de haute pureté, il n'est pas facile de sceller complètement le processus de production.

Pour prévenir la pollution par les poussières atmosphériques, des exigences strictes doivent être imposées à l’environnement aérien pour la production, le conditionnement, le stockage, etc.

Exigences de sécurité élevées : La chaîne de production composée de réactifs fortement corrosifs, de gaz toxiques (si le grillage par chloration est utilisé), de températures élevées, etc., doit avoir des garanties de sécurité de production plus élevées.

La nature particulière des conditions de traitement ci-dessus détermine les exigences élevées imposées aux équipements de production de traitement du quartz de haute pureté. Développer des équipements de production sûrs, respectueux de l’environnement, économes en énergie et efficaces est la condition clé pour parvenir à l’échelle et à l’industrialisation.

La teneur totale en éléments d'impuretés tels que Al, B, Li, K, Na, Ca, Mg, Ti, Fe, Mn, Cu, Cr, Ni, etc., dans les produits américains Unimin IOTA-STD est généralement < 20 × 10^-6, avec une valeur maximale < 22×10^-6. Pour de telles substances de haute pureté, les méthodes d'analyse chimique et la spectroscopie de fluorescence X (XRF) sont difficiles à répondre à leurs exigences en matière d'inspection qualité.

Pour la détection d'éléments métalliques, en particulier d'éléments traces métalliques, la spectrométrie d'émission optique à plasma à couplage inductif (ICP-OES) présente le plus d'avantages, avec de bonnes limites de détection, une précision de détection élevée, une courte consommation de temps et une sensibilité élevée. Actuellement, l’ICP-OES est devenue une méthode efficace pour détecter les traces de composants chimiques dans les matériaux de haute pureté.

La technologie de détection ICP est un support et un composant important de la technologie du quartz de haute pureté, qui revêt une importance pratique et théorique pour promouvoir le développement de la technologie du quartz de haute pureté en Chine.

Le quartz de haute pureté possède des propriétés physiques et chimiques stables, avec des caractéristiques telles qu'une faible teneur en impuretés et une dissolution difficile du minerai. Dans le processus de dissolution et de lixiviation d'échantillons de détection de quartz de haute pureté, les facteurs de base impliqués comprennent le poids de l'échantillon, la combinaison de réactifs, le dosage du réactif, la pureté du réactif, etc.

Cette technologie comprend la préparation des échantillons et la détection des instruments, qui constituent deux parties principales. La technologie clé est la préparation à la dissolution et à la lixiviation de l’échantillon.

Des expériences ont montré que dans le processus de préparation des échantillons, le poids de l'échantillon, la combinaison de réactifs, le dosage du réactif et la pureté du réactif utilisé auront un impact important sur les résultats de détection ICP.

La quantité de quartz de haute pureté utilisée ≥2000mg ; la pureté du réactif est de haute pureté (MOS ou BV-III), la combinaison de réactifs est HF+HNO3 ; Le HNO3 concentré est utilisé en trois fois, avec une quantité totale ≥5 ml ; La dose d'HF est de 25 ml.

Selon les caractéristiques de la technologie de traitement et les exigences de pureté du sable de quartz de haute pureté, les tamis en acier ne doivent pas être utilisés tout au long du processus de préparation des échantillons afin d'éviter toute contamination par le fer.

De plus, la préparation de la dissolution et de la lixiviation d’échantillons de quartz de haute pureté dans des conditions de laboratoire ultra-propres contribuera à éviter la pollution par les impuretés de l’air et à réduire les erreurs de détection.

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