Analisi approfondita: cos'è la tecnologia al quarzo ad elevata purezza?

Il quarzo ad elevata purezza si riferisce ai prodotti della serie al quarzo con una purezza SiO2 superiore a 99,9%. È il materiale di base dei prodotti di fascia alta nell'industria del silicio, ampiamente utilizzato in settori quali il fotovoltaico, l'informazione elettronica, la comunicazione ottica e le fonti elettroluminescenti. Detiene una posizione e un ruolo importanti nelle industrie emergenti strategiche di nuovi materiali e nuove energie.

In base alla purezza SiO2, può essere classificato in:

• Fascia bassa con SiO2 ≥ 99,9% (3N)
• Di fascia media con SiO2 ≥ 99,99% (4N)
• Di fascia alta con SiO2 ≥ 99,998% (4N8)

Può anche essere classificato in base alla quantità totale di elementi impuri come Al, B, Li, K, Na, Ca, Mg, Ti, Fe, Mn, Cu, Cr, Ni, ecc., in:

• Di fascia bassa ≤ 1000×10^-6
• Intermedio ≤ 100×10^-6
• Di fascia alta ≤ 20×10^-6

Ogni grado di purezza del quarzo ad alta purezza può essere suddiviso in varietà come 40-80 mesh, 80-140 mesh, 80-200 mesh, 80-300 mesh e così via.

La tecnologia al quarzo ad elevata purezza è un progetto di ingegneria sistematico che comprende tecnologia di selezione delle materie prime di quarzo ad elevata purezza, tecnologia di lavorazione, tecnologia delle apparecchiature di lavorazione e tecnologia di ispezione della qualità. Questi aspetti sono sia indipendenti che interconnessi, formando un insieme tecnologico completo.

Inizialmente, il quarzo di elevata purezza veniva lavorato da cristalli naturali di prima e seconda scelta. I cristalli naturali si formano solitamente in ambienti di cavità cristalline in determinate condizioni geologiche. La specificità della loro genesi si traduce in due carenze intrinseche:

1. Piccole riserve e cattive condizioni minerarie che, dopo anni di sviluppo e utilizzo, portano inevitabilmente alla scarsità di risorse, a prezzi elevati e all’incapacità di soddisfare le esigenze della produzione industriale su larga scala.

2. La composizione chimica dei cristalli minerali è instabile e influenzata dai cambiamenti nell'ambiente cristallino. Ciò porta a fluttuazioni significative nella composizione chimica delle materie prime in applicazioni industriali su larga scala, rendendo difficile la standardizzazione delle materie prime e incapace di soddisfare le esigenze di produzione di prodotti al quarzo di fascia alta e di elevata purezza.

Pertanto, è necessario iniziare con altre risorse minerali di quarzo per risolvere fondamentalmente il problema della materia prima di quarzo ad elevata purezza, che rappresenta l’approccio tecnico di base a livello nazionale e internazionale.

Negli anni '90, il Giappone ha lavorato il quarzo trasparente di elevata purezza utilizzando quarzite a grana fine come materia prima.

Russia e Germania hanno lavorato quarzo di elevata purezza utilizzando quarzo venato e quarzite metamorfica come materie prime.

Negli anni '80 l'azienda americana PPCC lavorò il quarzo di elevata purezza utilizzando il granito della zona di Foxdale, sulla costa nordoccidentale dell'Inghilterra, come materia prima per il vetro al quarzo dell'Europa occidentale. La purezza SiO2 del prodotto era 4N, il contenuto di Fe < 1×10^-6 e il contenuto di altri elementi impuri < 5×10^-6.

A partire dagli anni '90, l'azienda americana Unimin ha iniziato a sviluppare e utilizzare in modo efficace il granito pegmatite nella zona di Spruce Pine della Carolina del Nord. Ha sviluppato prodotti della serie al quarzo ad elevata purezza come IOTA-STD (grado standard), IOTA-4, IOTA-6 e IOTA-8, quasi monopolizzando il mercato internazionale e diventando lo standard internazionale.

È evidente che, a parte il cristallo naturale, il quarzo venato e il quarzo di granito tra le sei genesi di cui sopra, le risorse minerali di quarzo sono materie prime ideali per la lavorazione di prodotti di quarzo di elevata purezza di fascia media e alta.

Non tutto il quarzo venato e il quarzo granitico possono essere trasformati in quarzo di elevata purezza, dato l'attuale livello della tecnologia di lavorazione. Solo pochissimi, anche eccezionalmente rari, possono essere trasformati in prodotti di fascia alta.

Cioè, scegliere il quarzo venato o il quarzo granito è solo la giusta direzione generale; non risolve la questione chiave della selezione specifica delle materie prime.

Il motivo principale è l'esistenza di vari tipi di genesi suddivisi di quarzo e granito venato, influenzati dalle condizioni geologiche di formazione del minerale. Esistono anche differenze significative nelle caratteristiche mineralogiche, petrolologiche e di deposito dei minerali del quarzo venato e del granito dello stesso tipo di genesi.

Secondo i rapporti, l'azienda americana Unimin è molto selettiva riguardo alle materie prime di quarzo ad alta purezza e ha requisiti severi.

Criteri di selezione della materia prima del quarzo Unimin: uno è il quarzo con il minor numero di impurità nella struttura cristallina, come il contenuto di alluminio IOTA-STD (14-18)×10^-6, il contenuto di alluminio IOTA-4 (8-10)×10^ -6; l'altro è il quarzo con meno inclusioni gassose-liquide, come il granito e il cristallo pegmatite.

È stato dimostrato che il contenuto di elementi impuri nella materia prima non corrisponde semplicemente alla sua qualità. Si riferisce invece alla selettività delle impurità determinata dalle caratteristiche mineralogiche del processo della materia prima. Ad esempio, nonostante l’elevato contenuto di impurità nei campioni di roccia pegmatite di pino rosso negli Stati Uniti, vengono utilizzati come materie prime per i prodotti di fascia alta di IOTA.

Attualmente, le principali tecnologie di lavorazione del quarzo ad elevata purezza comprendono la classificazione, il lavaggio, la lisciviazione con acidi chimici, la flottazione (sia flottazione contenente fluoro che senza fluoro), separazione per gravità, separazione magnetica, tostatura per clorazione e lisciviazione microbica. Le materie prime utilizzate includono quarzo venato, granito pegmatite, quarzite e arenaria di quarzo.

La vena di quarzo è una vena magmatico-idrotermale correlata al granito, per lo più in forme venate irregolari. Il quarzo venato è bianco puro con una lucentezza oleosa ed elevata purezza, con un contenuto di SiO2 superiore a 99%. In Cina, le miniere di quarzo venato si trovano principalmente in aree come Jiangsu Donghai, Sichuan, Heilongjiang, Hubei, ecc. La contea di Qichun nella provincia di Hubei ha riserve di pietra di quarzo che superano i 100 milioni di tonnellate con un contenuto di silicio superiore a 99.98%, classificandosi al primo posto nella classifica Paese.

La quarzite è formata da rocce silicee o arenarie quarzose attraverso una serie di metamorfosi e contatto termico, con un contenuto minerale di quarzo generalmente superiore a 85%. È spesso associato a tormalina, zircone, mica, feldspato e minerali argillosi, con durezza e densità superiori a quelle dell'arenaria quarzosa. Le miniere di quarzite sono distribuite nel Qinghai, Anhui, Liaoning, Shaanxi, ecc. E sono una delle principali fonti di materie prime minerali silicee in Cina.

L'arenaria di quarzo è una roccia clastica consolidata con un contenuto di frammenti di quarzo superiore a 95%. È spesso associato a tormalina, rutilo, magnetite, mica, feldspato e minerali argillosi. In Cina, le miniere di arenaria di quarzo sono distribuite nel Sichuan, Hunan, Jiangsu, Zhejiang, Yunnan, Shandong, ecc. Sono le principali materie prime per la lavorazione del vetro, della ceramica, della fusione e di altri minerali e materiali industriali di quarzo.

La materia prima per la sabbia di quarzo ad alta purezza della serie americana Unimin TOTA è il granito pegmatite. Tuttavia, la ricerca in quest’area potrebbe essere più forte in Cina e non sono stati ottenuti risultati nella lavorazione della sabbia di quarzo di elevata purezza dal granito pegmatite.

Rispetto all'ingegneria generale della lavorazione dei minerali, le apparecchiature per la lavorazione della sabbia di quarzo ad elevata purezza presentano le seguenti caratteristiche:

La lisciviazione acida e il lavaggio con acqua sono anelli importanti nella tecnologia di lavorazione della sabbia di quarzo ad elevata purezza. A causa dei requisiti estremamente elevati di purezza SiO2 e del basso contenuto di elementi impuri nel quarzo ad elevata purezza, la purezza degli acidi e dell'acqua utilizzati deve soddisfare requisiti corrispondenti; in caso contrario, è difficile produrre prodotti qualificati.

La lisciviazione con acido caldo svolge un ruolo chiave nel processo di purificazione del quarzo ad elevata purezza. Una delle proprietà chimiche importanti del quarzo è l'eccellente resistenza agli acidi (ad eccezione dell'HF), mentre altri componenti di impurità metalliche nel minerale generalmente hanno una scarsa resistenza agli acidi. Questo effetto è più pronunciato in determinate condizioni di temperatura.

La tecnologia di lisciviazione acida per la lavorazione del quarzo ad elevata purezza utilizza questo principio per ottenere la purificazione chimica. Gli studi hanno dimostrato che l'utilizzo della formula acida appropriata in base alle caratteristiche delle materie prime minerali può rimuovere meglio i minerali metallici, i minerali contenenti ferro, i minerali carbonati e il ferro a film sottile tra le particelle di quarzo nelle materie prime.

Se una certa quantità di acido HF viene aggiunta alla combinazione di formula acida, ha un effetto migliore sulla rimozione di tracce di mica e impurità di feldspato nelle materie prime. Pertanto, vengono spesso utilizzati reagenti fortemente corrosivi come acido caldo e acido HF.

La pratica ha dimostrato che nel trattamento di purificazione del quarzo ad elevata purezza, qualsiasi materiale a contatto con le materie prime, come i contenitori, incide in modo significativo sulla qualità dei campioni. Il controllo rigoroso degli standard dei materiali in tutti i processi di lavorazione della sabbia di quarzo di elevata purezza è la chiave per garantire la qualità.

Le caratteristiche della purezza SiO2 del quarzo ad elevata purezza garantiscono che non vi sia alcun inquinamento durante il processo di produzione. Tuttavia, a causa del lungo flusso di lavorazione e della complessa tecnologia della sabbia di quarzo ad elevata purezza, non è facile sigillare completamente il processo di produzione.

Per prevenire l'inquinamento da polveri atmosferiche, è necessario imporre requisiti rigorosi all'ambiente aereo per la produzione, l'imballaggio, lo stoccaggio, ecc.

Elevati requisiti di sicurezza: la linea di produzione composta da reagenti fortemente corrosivi, gas tossici (se viene utilizzata la tostatura con clorazione), alte temperature, ecc., deve avere garanzie di sicurezza della produzione più elevate.

La natura speciale delle condizioni di processo di cui sopra determina gli elevati requisiti per le apparecchiature di produzione per la lavorazione del quarzo di elevata purezza. Lo sviluppo di apparecchiature di produzione sicure, rispettose dell’ambiente, a risparmio energetico ed efficienti è la condizione chiave per realizzare la scalabilità e l’industrializzazione.

Il contenuto totale di elementi impuri come Al, B, Li, K, Na, Ca, Mg, Ti, Fe, Mn, Cu, Cr, Ni, ecc., nei prodotti americani Unimin IOTA-STD è solitamente < 20× 10^-6, con un valore massimo < 22×10^-6. Per tali sostanze di elevata purezza, i metodi di analisi chimica e la spettroscopia di fluorescenza a raggi X (XRF) sono difficili da soddisfare i requisiti di ispezione di qualità.

Per il rilevamento di elementi metallici, in particolare elementi metallici in tracce, la spettrometria di emissione ottica al plasma accoppiato induttivamente (ICP-OES) presenta i maggiori vantaggi, con buoni limiti di rilevamento, elevata precisione di rilevamento, consumo breve ed elevata sensibilità. Attualmente, l’ICP-OES è diventato un metodo efficace per rilevare componenti chimici in tracce di materiali ad elevata purezza.

La tecnologia di rilevamento ICP è un supporto e un componente importante della tecnologia al quarzo ad alta purezza, che ha un significato pratico e teorico per promuovere lo sviluppo della tecnologia al quarzo ad alta purezza cinese.

Il quarzo di elevata purezza ha proprietà fisiche e chimiche stabili, con caratteristiche quali basso contenuto di impurità e difficile dissoluzione del minerale. Nel processo di dissoluzione e lisciviazione dei campioni di rilevamento del quarzo ad elevata purezza, i fattori fondamentali coinvolti includono il peso del campione, la combinazione di reagenti, il dosaggio del reagente, la purezza del reagente, ecc.

Questa tecnologia include la preparazione del campione e il rilevamento dello strumento, che sono due parti principali. La tecnologia chiave è la dissoluzione del campione e la preparazione della lisciviazione.

Gli esperimenti hanno dimostrato che nel processo di preparazione del campione, il peso del campione, la combinazione di reagenti, il dosaggio e la purezza dei reagenti utilizzati avranno un impatto importante sui risultati di rilevamento dell'ICP.

La quantità di quarzo ad elevata purezza utilizzata ≥2000 mg; la purezza del reagente è di grado di purezza elevato (MOS o BV-III), la combinazione di reagenti è HF+HNO3; l'HNO3 concentrato viene utilizzato in tre volte, con una quantità totale ≥ 5 ml; Il dosaggio dell'HF è di 25 ml.

In base alle caratteristiche della tecnologia di lavorazione e ai requisiti di purezza della sabbia di quarzo ad elevata purezza, non è necessario utilizzare setacci in acciaio durante l'intero processo di preparazione del campione per evitare la contaminazione da ferro.

Inoltre, lo svolgimento della dissoluzione dei campioni di quarzo ad elevata purezza e della preparazione della lisciviazione in condizioni di laboratorio ultra pulite aiuterà a evitare l’inquinamento da impurità dell’aria e a ridurre gli errori di rilevamento.

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