Phân tích chuyên sâu: Công nghệ thạch anh có độ tinh khiết cao là gì?

Thạch anh có độ tinh khiết cao dùng để chỉ các sản phẩm dòng thạch anh có độ tinh khiết SiO2 lớn hơn 99,9%. Nó là nền tảng vật chất của các sản phẩm cao cấp trong ngành công nghiệp silicon, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như quang điện, thông tin điện tử, truyền thông quang học và nguồn phát quang. Nó giữ một vị trí và vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp mới nổi mang tính chiến lược về vật liệu mới và năng lượng mới.

Dựa vào độ tinh khiết của SiO2, nó có thể được phân thành:

• Cấp thấp có SiO2 ≥ 99,9% (3N)
• Trung cấp có SiO2 ≥ 99.99% (4N)
• Cao cấp có SiO2 ≥ 99.998% (4N8)

Nó cũng có thể được phân loại dựa trên tổng lượng các nguyên tố tạp chất như Al, B, Li, K, Na, Ca, Mg, Ti, Fe, Mn, Cu, Cr, Ni, v.v. thành:

• Cấp thấp 1000×10^-6
• Trung cấp 100×10^-6
• Cao cấp 20×10^-6

Mỗi cấp độ tinh khiết của thạch anh có độ tinh khiết cao có thể được chia thành các loại như lưới 40-80, lưới 80-140, lưới 80-200, lưới 80-300, v.v.

Công nghệ thạch anh có độ tinh khiết cao là một dự án kỹ thuật có hệ thống bao gồm công nghệ lựa chọn nguyên liệu thạch anh có độ tinh khiết cao, công nghệ xử lý, công nghệ thiết bị xử lý và công nghệ kiểm tra chất lượng. Các khía cạnh này vừa độc lập vừa có mối liên hệ với nhau, tạo thành một tổng thể công nghệ toàn diện.

Ban đầu, thạch anh có độ tinh khiết cao được xử lý từ tinh thể tự nhiên loại một và loại hai. Tinh thể tự nhiên thường được hình thành trong môi trường khoang tinh thể dưới những điều kiện địa chất nhất định. Tính đặc hiệu của nguồn gốc của chúng dẫn đến hai thiếu sót cố hữu:

1. Trữ lượng nhỏ và điều kiện khai thác kém, sau nhiều năm phát triển và sử dụng chắc chắn dẫn đến khan hiếm tài nguyên, giá thành cao và không đáp ứng được nhu cầu sản xuất công nghiệp quy mô lớn.

2. Thành phần hóa học của tinh thể khoáng không ổn định và bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của môi trường tinh thể. Điều này dẫn đến sự biến động đáng kể về thành phần hóa học nguyên liệu thô trong các ứng dụng công nghiệp quy mô lớn, khiến việc tiêu chuẩn hóa nguyên liệu thô trở nên khó khăn và không thể đáp ứng nhu cầu sản xuất sản phẩm thạch anh cao cấp, có độ tinh khiết cao.

Vì vậy, cần phải bắt đầu từ các nguồn khoáng sản thạch anh khác để giải quyết căn bản bài toán nguyên liệu thạch anh có độ tinh khiết cao, là phương pháp kỹ thuật cơ bản trong nước và quốc tế.

Vào những năm 1990, Nhật Bản đã chế biến thạch anh trong suốt có độ tinh khiết cao bằng cách sử dụng đá thạch anh hạt mịn làm nguyên liệu thô.

Nga và Đức đã xử lý thạch anh có độ tinh khiết cao bằng cách sử dụng thạch anh vân và thạch anh biến chất làm nguyên liệu thô.

Vào những năm 1980, công ty PPCC của Mỹ đã xử lý thạch anh có độ tinh khiết cao bằng cách sử dụng đá granit từ khu vực Foxdale thuộc bờ biển phía tây bắc nước Anh làm nguyên liệu thô cho thủy tinh thạch anh Tây Âu. Độ tinh khiết SiO2 của sản phẩm là 4N, hàm lượng Fe < 1×10^-6 và hàm lượng nguyên tố tạp chất khác < 5×10^-6.

Bắt đầu từ những năm 1990, công ty Unimin của Mỹ bắt đầu phát triển và sử dụng đá granit pegmatit ở khu vực Spruce Pine ở Bắc Carolina một cách hiệu quả. Nó đã phát triển các sản phẩm dòng thạch anh có độ tinh khiết cao như IOTA-STD (loại tiêu chuẩn), IOTA-4, IOTA-6 và IOTA-8, gần như độc quyền thị trường quốc tế và trở thành tiêu chuẩn quốc tế.

Rõ ràng, ngoài tinh thể tự nhiên, thạch anh vân và thạch anh granit trong số sáu nguồn gốc trên, tài nguyên khoáng sản thạch anh là nguyên liệu lý tưởng để chế biến các sản phẩm thạch anh có độ tinh khiết cao cấp trung và cao cấp.

Không phải tất cả thạch anh vân và thạch anh granit đều có thể được xử lý thành thạch anh có độ tinh khiết cao, dựa trên trình độ công nghệ xử lý hiện tại. Chỉ một số rất ít, thậm chí cực kỳ hiếm có thể chế biến thành sản phẩm cao cấp.

Nghĩa là, việc chọn thạch anh vân hoặc thạch anh granite chỉ là hướng đi chung đúng đắn; nó không giải quyết được vấn đề then chốt là lựa chọn nguyên liệu thô cụ thể.

Nguyên nhân chính là sự tồn tại của nhiều loại thạch anh và đá granit có nguồn gốc khác nhau, chịu ảnh hưởng của các điều kiện địa chất hình thành quặng. Ngoài ra còn có sự khác biệt đáng kể về đặc điểm khoáng vật, thạch học và trữ lượng quặng của thạch anh vân và đá granit có cùng loại nguồn gốc.

Theo báo cáo, công ty Unimin của Mỹ rất chọn lọc về nguyên liệu thạch anh có độ tinh khiết cao và có những yêu cầu nghiêm ngặt.

Tiêu chí lựa chọn nguyên liệu thô thạch anh Unimin: Một là thạch anh có ít tạp chất nhất trong cấu trúc tinh thể, chẳng hạn như hàm lượng nhôm IOTA-STD (14-18)×10^-6, hàm lượng nhôm IOTA-4 (8-10)×10^ -6; loại còn lại là thạch anh có ít tạp chất khí-lỏng hơn, chẳng hạn như đá granit và tinh thể pegmatit.

Người ta đã chứng minh rằng hàm lượng các nguyên tố tạp chất trong nguyên liệu thô không chỉ tương ứng với chất lượng của nó. Thay vào đó, nó liên quan đến tính chọn lọc của tạp chất được xác định bởi các đặc tính khoáng vật học của quá trình nguyên liệu thô. Ví dụ, mặc dù hàm lượng nguyên tố tạp chất cao trong các mẫu đá pegmatit Spruce Pine ở Hoa Kỳ nhưng chúng vẫn được sử dụng làm nguyên liệu thô cho các sản phẩm cao cấp của IOTA.

Hiện nay, các công nghệ xử lý chính cho thạch anh có độ tinh khiết cao bao gồm phân loại, chà, lọc axit hóa học, tuyển nổi (cả tuyển nổi có chứa flo và không chứa flo), tách trọng lực, tách từ, rang clo và lọc vi sinh vật. Nguyên liệu thô được sử dụng bao gồm thạch anh vân, đá granit pegmatit, đá thạch anh và đá sa thạch thạch anh.

Thạch anh mạch là một mạch magma-thủy nhiệt có liên quan đến đá granit, chủ yếu ở dạng mạch không đều. Thạch anh tĩnh mạch có màu trắng tinh khiết, bóng nhờn và có độ tinh khiết cao, hàm lượng SiO2 vượt quá 99%. Tại Trung Quốc, các mỏ thạch anh vân chủ yếu nằm ở các khu vực như Giang Tô Đông Hải, Tứ Xuyên, Hắc Long Giang, Hồ Bắc, v.v. Quận Qichun của tỉnh Hồ Bắc có trữ lượng đá thạch anh vượt quá 100 triệu tấn với hàm lượng silicon hơn 99,98%, đứng đầu trong quốc gia.

Quartzite được hình thành từ đá silic hoặc đá sa thạch thạch anh thông qua một loạt quá trình biến chất và tiếp xúc nhiệt, với hàm lượng khoáng chất thạch anh thường vượt quá 85%. Nó thường được liên kết với các khoáng chất tourmaline, zircon, mica, fenspat và đất sét, có độ cứng và mật độ cao hơn đá sa thạch thạch anh. Các mỏ thạch anh được phân bố ở Thanh Hải, An Huy, Liêu Ninh, Thiểm Tây, v.v. và là một trong những nguồn cung cấp nguyên liệu khoáng silic chính ở Trung Quốc.

Đá sa thạch thạch anh là một loại đá vụn hợp nhất có hàm lượng mảnh thạch anh lớn hơn 95%. Nó thường được kết hợp với các khoáng chất tourmaline, rutile, magnetit, mica, fenspat và đất sét. Ở Trung Quốc, các mỏ đá sa thạch thạch anh phân bố ở Tứ Xuyên, Hồ Nam, Giang Tô, Chiết Giang, Vân Nam, Sơn Đông, v.v. Chúng là nguyên liệu chính để chế biến thủy tinh, gốm sứ, đúc và các khoáng chất và vật liệu công nghiệp thạch anh khác.

Nguyên liệu thô cho cát thạch anh có độ tinh khiết cao dòng Unimin TOTA của Mỹ là đá granit pegmatit. Tuy nhiên, nghiên cứu trong lĩnh vực này có thể mạnh mẽ hơn ở Trung Quốc và chưa có thành tựu nào được báo cáo trong việc xử lý cát thạch anh có độ tinh khiết cao từ đá granit pegmatit.

So với kỹ thuật chế biến khoáng sản nói chung, thiết bị chế biến cát thạch anh có độ tinh khiết cao có các đặc điểm sau:

Lọc axit và rửa nước là những mắt xích quan trọng trong công nghệ xử lý cát thạch anh có độ tinh khiết cao. Do yêu cầu về độ tinh khiết SiO2 cực cao và hàm lượng các nguyên tố tạp chất trong thạch anh có độ tinh khiết cao thấp nên độ tinh khiết của axit và nước sử dụng phải đáp ứng các yêu cầu tương ứng; nếu không thì khó sản xuất được sản phẩm đạt chất lượng.

Quá trình lọc axit nóng đóng một vai trò quan trọng trong quá trình tinh chế thạch anh có độ tinh khiết cao. Một trong những tính chất hóa học quan trọng của thạch anh là khả năng kháng axit tuyệt vời (trừ HF), trong khi các thành phần tạp chất kim loại khác trong quặng nói chung có khả năng kháng axit kém. Hiệu ứng này rõ rệt hơn trong điều kiện nhiệt độ nhất định.

Công nghệ lọc axit xử lý thạch anh có độ tinh khiết cao sử dụng nguyên tắc này để đạt được quá trình tinh chế hóa học. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng công thức axit thích hợp theo đặc tính của nguyên liệu khoáng có thể loại bỏ tốt hơn các khoáng chất kim loại, khoáng chất chứa sắt, khoáng chất cacbonat và sắt màng mỏng giữa các hạt thạch anh trong nguyên liệu thô.

Nếu một lượng axit HF nhất định được thêm vào hỗn hợp công thức axit, nó sẽ có tác dụng tốt hơn trong việc loại bỏ tạp chất mica và fenspat trong nguyên liệu thô. Do đó, các thuốc thử ăn mòn mạnh như axit nóng và axit HF thường được sử dụng.

Thực tiễn đã chứng minh rằng trong quá trình tinh chế thạch anh có độ tinh khiết cao, bất kỳ vật liệu nào tiếp xúc với nguyên liệu thô, chẳng hạn như thùng chứa, đều ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của mẫu. Kiểm soát chặt chẽ các tiêu chuẩn vật liệu trong tất cả các khâu chế biến cát thạch anh có độ tinh khiết cao là chìa khóa để đảm bảo chất lượng.

Các đặc tính của độ tinh khiết thạch anh SiO2 có độ tinh khiết cao đảm bảo rằng không thể có ô nhiễm trong quá trình sản xuất. Tuy nhiên, do quy trình xử lý kéo dài và công nghệ phức tạp của cát thạch anh có độ tinh khiết cao nên việc đóng kín hoàn toàn quy trình sản xuất không phải là điều dễ dàng.

Để ngăn ngừa ô nhiễm bụi không khí, phải áp dụng các yêu cầu nghiêm ngặt đối với môi trường không khí trong quá trình sản xuất, đóng gói, bảo quản...

Yêu cầu về an toàn cao: Dây chuyền sản xuất bao gồm thuốc thử ăn mòn mạnh, khí độc (nếu sử dụng phương pháp rang clo), nhiệt độ cao, v.v., phải có đảm bảo an toàn sản xuất cao hơn.

Tính chất đặc biệt của các điều kiện quy trình trên quyết định yêu cầu cao đối với thiết bị sản xuất chế biến thạch anh có độ tinh khiết cao. Phát triển thiết bị sản xuất an toàn, thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng và hiệu quả là điều kiện then chốt để hiện thực hóa quy mô và công nghiệp hóa.

Tổng hàm lượng các nguyên tố tạp chất như Al, B, Li, K, Na, Ca, Mg, Ti, Fe, Mn, Cu, Cr, Ni, v.v. trong các sản phẩm Unimin IOTA-STD của Mỹ thường < 20× 10^-6, với giá trị tối đa < 22×10^-6. Đối với các chất có độ tinh khiết cao như vậy, phương pháp phân tích hóa học và quang phổ huỳnh quang tia X (XRF) rất khó đáp ứng yêu cầu kiểm tra chất lượng.

Để phát hiện các nguyên tố kim loại, đặc biệt là các nguyên tố kim loại vi lượng, phương pháp quang phổ phát xạ quang plasma kết hợp cảm ứng (ICP-OES) có nhiều ưu điểm nhất, với giới hạn phát hiện tốt, độ chính xác phát hiện cao, tiêu thụ thời gian ngắn và độ nhạy cao. Hiện nay, ICP-OES đã trở thành một phương pháp hiệu quả để phát hiện các thành phần hóa học dạng vết của vật liệu có độ tinh khiết cao.

Công nghệ phát hiện ICP là một thành phần và hỗ trợ quan trọng của công nghệ thạch anh có độ tinh khiết cao, có ý nghĩa thực tiễn và lý thuyết trong việc thúc đẩy sự phát triển của công nghệ thạch anh có độ tinh khiết cao của Trung Quốc.

Thạch anh có độ tinh khiết cao có tính chất vật lý và hóa học ổn định, với các đặc tính như hàm lượng tạp chất thấp và quá trình hòa tan quặng khó khăn. Trong quá trình hòa tan và lọc các mẫu phát hiện thạch anh có độ tinh khiết cao, các yếu tố cơ bản liên quan bao gồm trọng lượng mẫu, tổ hợp thuốc thử, liều lượng thuốc thử, độ tinh khiết của thuốc thử, v.v.

Công nghệ này bao gồm chuẩn bị mẫu và phát hiện dụng cụ, là hai phần chính. Công nghệ chủ chốt là chuẩn bị hòa tan và lọc mẫu.

Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng trong quá trình chuẩn bị mẫu, trọng lượng mẫu, sự kết hợp thuốc thử, liều lượng thuốc thử và độ tinh khiết của thuốc thử được sử dụng sẽ có tác động quan trọng đến kết quả phát hiện ICP.

Lượng thạch anh có độ tinh khiết cao được sử dụng ≥2000mg; độ tinh khiết của thuốc thử là loại có độ tinh khiết cao (MOS hoặc BV-III), tổ hợp thuốc thử là HF+HNO3; HNO3 đậm đặc dùng 3 lần, tổng lượng ≥5mL; Liều HF là 25mL.

Theo đặc điểm công nghệ xử lý và yêu cầu về độ tinh khiết của cát thạch anh có độ tinh khiết cao, không được sử dụng sàng thép trong toàn bộ quá trình chuẩn bị mẫu để tránh ô nhiễm sắt.

Ngoài ra, việc tiến hành chuẩn bị hòa tan và lọc mẫu thạch anh có độ tinh khiết cao trong điều kiện phòng thí nghiệm siêu sạch sẽ giúp tránh ô nhiễm tạp chất không khí và giảm lỗi phát hiện.

GlobalQT specializes in quartz tubes and quartz tube heaters, providing customizable solutions for the high-purity quartz industry worldwide. We are committed to quality, competitive pricing, and meeting the specific needs of our clients. For reliable service and expertise, partner with GlobalQT. Contact us at contact@globalquartztube.com.