Análise aprofundada: O que é tecnologia de quartzo de alta pureza?

Quartzo de alta pureza refere-se a produtos da série de quartzo com pureza de SiO2 superior a 99,9%. É a base material de produtos de alta qualidade na indústria de silício, amplamente utilizados em indústrias como fotovoltaica, informação eletrônica, comunicação óptica e fontes eletroluminescentes. Ela ocupa uma posição e um papel importante nas indústrias estratégicas emergentes de novos materiais e novas energias.

Com base na pureza do SiO2, ele pode ser classificado em:

• Baixo custo com SiO2 ≥ 99,9% (3N)
• Médio com SiO2 ≥ 99.99% (4N)
• Alta tecnologia com SiO2 ≥ 99.998% (4N8)

Também pode ser classificado com base na quantidade total de elementos de impureza como Al, B, Li, K, Na, Ca, Mg, Ti, Fe, Mn, Cu, Cr, Ni, etc., em:

• Baixo custo ≤ 1000×10^-6
• Meio termo ≤ 100×10^-6
• Alta qualidade ≤ 20×10^-6

Cada grau de pureza de quartzo de alta pureza pode ser dividido em variedades como malha 40-80, malha 80-140, malha 80-200, malha 80-300 e assim por diante.

A tecnologia de quartzo de alta pureza é um projeto de engenharia sistemático que inclui tecnologia de seleção de matéria-prima de quartzo de alta pureza, tecnologia de processamento, tecnologia de equipamentos de processamento e tecnologia de inspeção de qualidade. Esses aspectos são independentes e inter-relacionados, formando um todo tecnológico abrangente.

Inicialmente, o quartzo de alta pureza foi processado a partir de cristais naturais de primeiro e segundo grau. Os cristais naturais são geralmente formados em ambientes de cavidades cristalinas sob certas condições geológicas. A especificidade da sua génese resulta em duas deficiências inerentes:

1. Pequenas reservas e más condições de mineração, que, após anos de desenvolvimento e utilização, conduzem inevitavelmente à escassez de recursos, preços elevados e incapacidade de satisfazer as necessidades da produção industrial em grande escala.

2. A composição química dos cristais minerais é instável e influenciada por mudanças no ambiente cristalino. Isso leva a flutuações significativas na composição química da matéria-prima em aplicações industriais de grande escala, tornando a padronização da matéria-prima difícil e incapaz de atender às necessidades de produção de produtos de quartzo de alta qualidade e alta pureza.

Assim, é necessário começar com outros recursos minerais de quartzo para resolver fundamentalmente o problema da matéria-prima de quartzo de alta pureza, que é a abordagem técnica básica nacional e internacionalmente.

Na década de 1990, o Japão processou quartzo transparente de alta pureza usando quartzito de granulação fina como matéria-prima.

A Rússia e a Alemanha processaram quartzo de alta pureza usando quartzo veio e quartzito metamórfico como matéria-prima.

Na década de 1980, a empresa americana PPCC processou quartzo de alta pureza usando granito da área de Foxdale, na costa noroeste da Inglaterra, como matéria-prima para o vidro de quartzo da Europa Ocidental. A pureza do SiO2 do produto era 4N, conteúdo de Fe < 1×10^-6 e conteúdo de outros elementos de impureza < 5×10^-6.

A partir da década de 1990, a empresa americana Unimin começou a desenvolver e utilizar de forma eficaz o granito pegmatito na área de Spruce Pine, na Carolina do Norte. Desenvolveu produtos da série de quartzo de alta pureza, como IOTA-STD (grau padrão), IOTA-4, IOTA-6 e IOTA-8, quase monopolizando o mercado internacional e se tornando o padrão internacional.

É evidente que, além do cristal natural, quartzo veio e quartzo granítico entre as seis gêneses acima, os recursos minerais de quartzo são matérias-primas ideais para o processamento de produtos de quartzo de alta pureza de gama média e alta.

Nem todos os quartzos veios e quartzos de granito podem ser processados em quartzo de alta pureza, dado o nível atual de tecnologia de processamento. Apenas muito poucos, mesmo excepcionalmente raros, podem ser transformados em produtos de alta qualidade.

Ou seja, escolher quartzo veio ou quartzo granítico é apenas a direção geral correta; não resolve a questão fundamental da seleção específica de matérias-primas.

A principal razão é a existência de vários tipos de gênese subdividida de veios de quartzo e granito, influenciados pelas condições geológicas de formação do minério. Existem também diferenças significativas na mineralogia, petrologia e características dos depósitos de minério de veios de quartzo e granito do mesmo tipo de gênese.

Segundo relatos, a empresa americana Unimin é muito seletiva em relação às matérias-primas de quartzo de alta pureza e possui requisitos rígidos.

Critérios de seleção de matéria-prima de quartzo Unimin: Um deles é o quartzo com menos impurezas na estrutura cristalina, como teor de alumínio IOTA-STD (14-18) × 10 ^ -6, teor de alumínio IOTA-4 (8-10) × 10 ^ -6; o outro é o quartzo com menos inclusões gás-líquido, como granito pegmatito e cristal.

Foi demonstrado que o teor de elementos de impureza na matéria-prima não corresponde simplesmente à sua qualidade. Em vez disso, refere-se à seletividade das impurezas determinada pelas características mineralógicas do processo da matéria-prima. Por exemplo, apesar do alto teor de elementos de impureza nas amostras de rochas pegmatíticas de Spruce Pine nos Estados Unidos, elas são usadas como matéria-prima para os produtos de alta qualidade da IOTA.

Atualmente, as principais tecnologias de processamento de quartzo de alta pureza incluem classificação, lavagem, lixiviação com ácido químico, flotação (tanto com flúor quanto sem flúor), separação por gravidade, separação magnética, torrefação com cloração e lixiviação microbiana. As matérias-primas utilizadas incluem quartzo veio, granito pegmatito, quartzito e arenito de quartzo.

O quartzo de veio é um veio magmático-hidrotermal relacionado ao granito, principalmente em formas de veios irregulares. O quartzo venoso é branco puro com brilho oleoso e alta pureza, com seu teor de SiO2 superior a 99%. Na China, as minas de quartzo com veios estão localizadas principalmente em áreas como Jiangsu Donghai, Sichuan, Heilongjiang, Hubei, etc. O condado de Qichun, na província de Hubei, tem reservas de pedra de quartzo superiores a 100 milhões de toneladas com um teor de silício superior a 99.98%, ocupando o primeiro lugar no país.

O quartzito é formado a partir de rochas siliciosas ou arenitos de quartzo através de uma série de metamorfoses e contato térmico, com conteúdo mineral de quartzo geralmente superior a 85%. É frequentemente associado a turmalina, zircão, mica, feldspato e minerais argilosos, com dureza e densidade superiores às do arenito de quartzo. As minas de quartzito estão distribuídas em Qinghai, Anhui, Liaoning, Shaanxi, etc., e são uma das principais fontes de matérias-primas minerais siliciosas na China.

O arenito de quartzo é uma rocha clástica consolidada com um conteúdo de fragmentos de quartzo superior a 95%. É frequentemente associado a turmalina, rutilo, magnetita, mica, feldspato e minerais argilosos. Na China, as minas de arenito de quartzo são distribuídas em Sichuan, Hunan, Jiangsu, Zhejiang, Yunnan, Shandong, etc. Elas são as principais matérias-primas para o processamento de vidro, cerâmica, fundição e outros minerais e materiais industriais de quartzo.

A matéria-prima da areia de quartzo de alta pureza da série americana Unimin TOTA é o granito pegmatito. No entanto, a investigação nesta área poderia ser mais forte na China, e não foram registados quaisquer avanços no processamento de areia de quartzo de alta pureza a partir de granito pegmatito.

Em comparação com a engenharia geral de processamento mineral, o equipamento de processamento de areia de quartzo de alta pureza tem as seguintes características:

A lixiviação ácida e a lavagem com água são elos importantes na tecnologia de processamento de areia de quartzo de alta pureza. Devido aos requisitos extremamente elevados de pureza do SiO2 e ao baixo teor de elementos de impureza no quartzo de alta pureza, a pureza dos ácidos e da água utilizados deve atender aos requisitos correspondentes; caso contrário, será difícil produzir produtos qualificados.

A lixiviação com ácido quente desempenha um papel fundamental no processamento de purificação de quartzo de alta pureza. Uma das propriedades químicas importantes do quartzo é a excelente resistência a ácidos (exceto HF), enquanto outros componentes de impurezas metálicas no minério geralmente apresentam baixa resistência a ácidos. Este efeito é mais pronunciado sob certas condições de temperatura.

A tecnologia de lixiviação ácida de processamento de quartzo de alta pureza utiliza este princípio para obter purificação química. Estudos demonstraram que o uso da fórmula ácida apropriada de acordo com as características das matérias-primas minerais pode remover melhor minerais metálicos, minerais contendo ferro, minerais carbonáticos e película fina de ferro entre as partículas de quartzo nas matérias-primas.

Se uma certa quantidade de ácido HF for adicionada à combinação da fórmula ácida, ela terá um efeito melhor na remoção de vestígios de mica e impurezas de feldspato nas matérias-primas. Portanto, reagentes corrosivos fortes, como ácido quente e ácido HF, são frequentemente usados.

A prática comprovou que no processamento de purificação de quartzo de alta pureza, quaisquer materiais em contato com as matérias-primas, como recipientes, impactam significativamente a qualidade das amostras. O controle rigoroso dos padrões de materiais em todos os elos de processamento de areia de quartzo de alta pureza é a chave para garantir a qualidade.

As características da pureza do quartzo SiO2 de alta pureza garantem que não haja poluição durante o processo de produção. No entanto, devido ao longo fluxo de processamento e à tecnologia complexa da areia de quartzo de alta pureza, não é fácil selar totalmente o processo de produção.

Para evitar a poluição atmosférica por poeira, requisitos rigorosos devem ser impostos ao ambiente aéreo para produção, embalagem, armazenamento, etc.

Elevados requisitos de segurança: A linha de produção composta por reagentes fortemente corrosivos, gases tóxicos (se for utilizada torrefação com cloração), altas temperaturas, etc., deve ter maiores garantias de segurança de produção.

A natureza especial das condições de processo acima determina os altos requisitos para equipamentos de produção de processamento de quartzo de alta pureza. O desenvolvimento de equipamentos de produção seguros, ecológicos, eficientes e com economia de energia é a condição chave para alcançar a escala e a industrialização.

O conteúdo total de elementos de impureza como Al, B, Li, K, Na, Ca, Mg, Ti, Fe, Mn, Cu, Cr, Ni, etc., nos produtos americanos Unimin IOTA-STD é geralmente <20× 10^-6, com valor máximo <22×10^-6. Para essas substâncias de alta pureza, os métodos de análise química e a espectroscopia de fluorescência de raios X (XRF) são difíceis de atender aos seus requisitos de inspeção de qualidade.

Para a detecção de elementos metálicos, especialmente elementos vestigiais de metais, a espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (ICP-OES) tem mais vantagens, com bons limites de detecção, alta precisão de detecção, curto consumo de tempo e alta sensibilidade. Atualmente, o ICP-OES tornou-se um método eficaz para detectar vestígios de componentes químicos de materiais de alta pureza.

A tecnologia de detecção de ICP é um importante suporte e componente da tecnologia de quartzo de alta pureza, que tem significado prático e teórico para promover o desenvolvimento da tecnologia de quartzo de alta pureza da China.

O quartzo de alta pureza possui propriedades físicas e químicas estáveis, com características como baixo teor de impurezas e difícil dissolução do minério. No processo de dissolução e lixiviação de amostras de detecção de quartzo de alta pureza, os fatores básicos envolvidos incluem peso da amostra, combinação de reagentes, dosagem de reagentes, pureza de reagentes, etc.

Esta tecnologia inclui preparação de amostras e detecção de instrumentos, que são duas partes principais. A tecnologia chave é a dissolução da amostra e a preparação da lixiviação.

Experimentos mostraram que no processo de preparação da amostra, o peso da amostra, a combinação de reagentes, a dosagem do reagente e a pureza do reagente utilizado terão um impacto importante nos resultados de detecção de ICP.

A quantidade de quartzo de alta pureza usada ≥2000mg; a pureza do reagente é de alto grau de pureza (MOS ou BV-III), a combinação de reagentes é HF+HNO3; HNO3 concentrado é utilizado em três vezes, com quantidade total ≥5mL; A dosagem de IC é de 25mL.

De acordo com as características da tecnologia de processamento e os requisitos de pureza da areia de quartzo de alta pureza, peneiras de aço não devem ser utilizadas durante todo o processo de preparação da amostra para evitar contaminação por ferro.

Além disso, a realização de dissolução de amostras de quartzo de alta pureza e preparação de lixiviação em condições laboratoriais ultralimpas ajudará a evitar a poluição por impurezas do ar e reduzir erros de detecção.

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