لتحويل خام الكوارتز إلى كوارتز عالي النقاء، نتبع عدة خطوات. أولاً، نعالج المعادن، ثم نستخدم التنقية الكيميائية. تساعد هذه الخطوات على إزالة الشوائب. هدفنا هو الوصول إلى محتوى سيليكا (SiO2) يتجاوز 99.95%. تُعد هذه العملية أساسية لإنتاج كوارتز يلبي احتياجات الصناعة المتقدمة. يُستخدم في أشباه الموصلات، والألياف الضوئية، والألواح الشمسية، والإلكترونيات.
الخطوات الرئيسية في عملية التحول
1. التعدين والإعداد الأولي
- يُستخرج خام الكوارتز من رواسب تختلف في أصلها الجيولوجي ومستويات شوائبها. وتؤثر جودة خام الكوارتز الخام، مثل بيغماتيت الجرانيت أو المصادر المتحولة، على تنقيته. ويعود ذلك إلى اختلاف خصائص المعادن ومستويات الشوائب فيها.
2. السحق والطحن
- يتم سحق خام الكوارتز الخام باستخدام كسارات الفك أو كسارات الدوارة لتقليل الحجم إلى جزيئات يمكن التحكم فيها.
- تُطحن مطاحن الكرات أو مطاحن القضبان الكوارتز بشكل أكبر، مما يُنتج مسحوقًا ناعمًا ويزيد من مساحة السطح للمعالجات الكيميائية اللاحقة.
3. التصنيف وإزالة الطين
- يتم تصنيف الكوارتز الأرضي حسب حجم الجسيمات لضمان التوحيد.
- يمكن استخدام تقنية إزالة الطين بالموجات فوق الصوتية لإزالة جزيئات الطين والطمي الدقيقة.
4. الفصل المغناطيسي والكهربائي
- يزيل الفصل المغناطيسي الشوائب التي تحتوي على الحديد والمعادن المغناطيسية.
- يستهدف الفصل الكهروستاتيكي الشوائب غير المغناطيسية مثل البوتاسيوم والألبيت والألمنيوم والميكا.
5. التنقية الكيميائية (الاستخلاص الحمضي والتخليل)
- يستخدم الاستخلاص الحمضي حمض الهيدروكلوريك (HCl)، وحمض الكبريتيك (H2SO4)، وحمض الهيدروفلوريك (HF)، أو مخاليطها. يُذيب هذا الاستخلاص المعادن والشوائب مثل الحديد والألمنيوم والصوديوم والكالسيوم والمغنيسيوم والرصاص.
- يتم إجراء هذه الخطوة عادة في درجات حرارة متحكم بها (60-80 درجة مئوية) مع التحريك لتعزيز إذابة الشوائب.
6. العلاجات ذات درجة الحرارة العالية
- التكليس، الذي يُسخّن المواد إلى درجات حرارة تتراوح بين 850 و1200 درجة مئوية، يُغيّر بنية المعادن، ويزيل الشوائب المتطايرة، ويُعزّز نقاء الكوارتز.
- يؤدي تبريد المعادن بالماء بعد التكليس إلى تفكيك بنيتها، مما يُسهّل عملية الطحن وإزالة الشوائب.
7. التحميص بالكلور الساخن
- في بعض العمليات، تُجرى عملية كلورة ساخنة عند درجة حرارة حوالي ١٢٠٠ درجة مئوية. تُستخدم في هذه العملية غاز الكلور وكلوريد الهيدروجين لإزالة الشوائب المتبقية. تتطلب هذه العملية مرافق متخصصة نظرًا للغازات الخطرة المستخدمة.
8. الغسيل والتحييد والتجفيف
- بعد المعالجة الحمضية، اغسل الكوارتز بالماء منزوع الأيونات. هذه الخطوة تزيل بقايا الأحماض والشوائب المذابة.
- وتضمن خطوات التحييد عدم وجود أي بقايا حمضية يمكن أن تلوث المنتج النهائي.
- يُجفف الكوارتز المُنقّى، ويمكن إعادة تحميصه للحصول على الخواص الفيزيائية والكيميائية المناسبة.
ملخص سير العملية
يتضمن تحويل خام الكوارتز إلى كوارتز عالي النقاء سلسلة من خطوات المعالجة المعدنية والتنقية الكيميائية المصممة لإزالة الشوائب وتحقيق نسبة عالية جدًا من السيليكا (SiO2)، عادةً ما تتجاوز 99.95%. تُعد هذه العملية بالغة الأهمية لإنتاج كوارتز مناسب للتطبيقات الصناعية المتقدمة مثل أشباه الموصلات والألياف الضوئية والألواح الشمسية والإلكترونيات.
الخطوات الرئيسية في عملية التحول
1. التعدين والإعداد الأولي
- يُستخرج خام الكوارتز من رواسب تختلف في تكوينها الجيولوجي ونسبة الشوائب فيها. تؤثر جودة خام الكوارتز الخام (مثلاً، من بيغماتيت الجرانيت أو المصادر المتحولة) على إمكانية التنقية نظرًا لاختلاف خصائصه المعدنية ونسبة الشوائب فيه.4.
2. السحق والطحن
- يتم سحق خام الكوارتز الخام باستخدام كسارات الفك أو كسارات الدوارة لتقليل الحجم إلى جزيئات يمكن التحكم فيها.
- يتم إجراء المزيد من الطحن في مطاحن الكرات أو مطاحن القضبان لإنتاج مسحوق الكوارتز الناعم، مما يزيد من مساحة السطح للمعالجات الكيميائية اللاحقة23.
3. التصنيف وإزالة الطين
- يتم تصنيف الكوارتز الأرضي حسب حجم الجسيمات لضمان التوحيد.
- يمكن استخدام إزالة الطين بالموجات فوق الصوتية لإزالة جزيئات الطين والطمي الدقيقة1.
4. الفصل المغناطيسي والكهربائي
- يزيل الفصل المغناطيسي الشوائب التي تحتوي على الحديد والمعادن المغناطيسية.
- يستهدف الفصل الكهروستاتيكي الشوائب غير المغناطيسية مثل البوتاسيوم والألبيت والألمنيوم والميكا35.
5. التنقية الكيميائية (الاستخلاص الحمضي والتخليل)
- يؤدي الاستخلاص الحمضي باستخدام حمض الهيدروكلوريك (HCl)، وحمض الكبريتيك (H2SO4)، وحمض الهيدروفلوريك (HF)، أو خليط منها إلى إذابة الشوائب المعدنية وغيرها من الشوائب مثل الحديد والألمنيوم والصوديوم والكالسيوم والمغنيسيوم والرصاص.
- يتم إجراء هذه الخطوة عادةً في درجات حرارة متحكم بها (60-80 درجة مئوية) مع التحريك لتعزيز إذابة الشوائب256.
6. العلاجات ذات درجة الحرارة العالية
- يتم استخدام التكليس (التسخين عند درجة حرارة تتراوح بين 850 إلى 1200 درجة مئوية) لتغيير البنية المعدنية وإزالة الشوائب المتطايرة وتحسين نقاء الكوارتز.
- يساعد تبريد الماء بعد التكليس على تخفيف الهياكل المعدنية لتسهيل الطحن وإزالة الشوائب15.
7. التحميص بالكلور الساخن
- في بعض العمليات، تُطبّق خطوة كلورة ساخنة عند حوالي ١٢٠٠ درجة مئوية في جوّ من غاز الكلور وكلوريد الهيدروجين لإزالة الشوائب المتبقية كيميائيًا. تتطلب هذه الخطوة مرافق متخصصة نظرًا للغازات الخطرة المُستخدمة.3.
8. الغسيل والتحييد والتجفيف
- بعد المعالجات الحمضية، يتم غسل الكوارتز جيدًا بالماء منزوع الأيونات لإزالة الأحماض المتبقية والشوائب المذابة.
- وتضمن خطوات التحييد عدم وجود أي بقايا حمضية يمكن أن تلوث المنتج النهائي.
- يتم بعد ذلك تجفيف الكوارتز النقي وأحيانًا يتم تحميصه مرة أخرى لتحقيق الخصائص الفيزيائية والكيميائية المطلوبة256.
ملخص سير العملية
| منصة | غاية | الأساليب/الشروط النموذجية |
|---|---|---|
| التعدين والاستخراج | الحصول على خام الكوارتز الخام | التعدين المفتوح أو التعدين تحت الأرض |
| السحق والطحن | تقليل الحجم وزيادة مساحة السطح | كسارة الفك، مطحنة الكرات، مطحنة القضبان |
| التصنيف وإزالة الطين | إزالة الغرامات وتصنيف حجم الجسيمات | إزالة الطين بالموجات فوق الصوتية، التصنيفات |
| الفصل المغناطيسي والكهربائي | إزالة الشوائب المغناطيسية وغير المغناطيسية | الفواصل المغناطيسية، الفواصل الكهروستاتيكية |
| الاستخلاص الحمضي / التخليل | إذابة الشوائب المعدنية وغيرها | أحماض HCl وHF وH2SO4 عند 60-80 درجة مئوية |
| التكليس والتبريد بالماء | التغيير الهيكلي وإزالة الشوائب | التسخين عند درجة حرارة 850-1200 درجة مئوية، التبريد السريع |
| التحميص بالكلور الساخن | إزالة الشوائب الكيميائية | جو غاز الكلور-HCl عند درجة حرارة ~1200 درجة مئوية |
| الغسيل، التحييد، التجفيف | إزالة الشوائب النهائية والتجفيف | غسل بالماء منزوع الأيونات، وتجفيف عند درجة حرارة ~175–185 درجة مئوية |
النقاء الذي تم تحقيقه والتحديات
- عادةً ما يحتوي منتج الكوارتز النهائي عالي النقاء على نسبة SiO2 تبلغ 99.95% أو أكثر. وقد تصل أحيانًا إلى 99.97% أو أعلى. ويعتمد ذلك على جودة الخام وكفاءة العملية.
- الشوائب الرئيسية التي يجب إزالتها هي:
- الألومنيوم
- حديد
- الصوديوم
- البوتاسيوم
- الليثيوم
- التيتانيوم
- الزركونيوم
- الكالسيوم
- المغنيسيوم
- تتطلب هذه العملية معدات خاصة وعمالًا ماهرين. وهذا مهم لطحن الكوارتز الصلب والتعامل مع المواد الكيميائية الخطرة في عملية الكلورة.
- يؤثر الأصل الجيولوجي لخام الكوارتز وتكوينه المعدني على مدى سهولة وتكلفة تنقيته.
باختصار، تحويل خام الكوارتز إلى كوارتز عالي النقاء عملية معقدة، وتتضمن عدة خطوات:
- تقليل الحجم الميكانيكي
- الفصل الجسدي
- الاستخلاص الكيميائي
- المعالجات الحرارية
- الغسيل الدقيق
هذه الخطوات تُخلّص من الشوائب، وتُحقّق نقاءً عاليًا للسيليكا، وهو ما تحتاجه صناعات التكنولوجيا المتقدمة.
