الكوارتز عالي النقاء: الأنواع، والأصول، والشوائب، واحتياجات المعالجة
- أنواع الخام:تُنتج بعض الخامات الكوارتز عالي النقاء.
- الأصول الجيولوجية:إنهم يأتون من إعدادات جيولوجية محددة.
- ملفات تعريف الشوائب:كل نوع لديه مستوى مختلف من الشوائب.
- متطلبات المعالجة:تختلف احتياجات المعالجة الخاصة بهم من حيث النقاء.
الكوارتز عالي النقاء (HPQ) هو سيليكا (SiO₂) بدرجة نقاء 99.95% أو أكثر. وهو ضروري للتقنيات المتقدمة مثل أشباه الموصلات والخلايا الكهروضوئية والألياف الضوئية. يعتمد إنتاج الكوارتز عالي النقاء على مصادر خام الكوارتز، ومستويات الشوائب، وطرق تحقيق النقاء المناسب. يُسلط هذا التقرير الضوء على أنواع الخام الرئيسية لإنتاج الكوارتز عالي النقاء، ويستكشف أماكن تواجدها حول العالم، ويستعرض التحديات التقنية التي يفرضها كل نوع.
التصنيف الجيولوجي لخامات الكوارتز عالية النقاء
1. الكوارتز من نوع الجرانيت البيجماتيت
بيغماتيت الجرانيت صخور نارية خشنة. تتشكل خلال المراحل الأخيرة من تبلور الصهارة. تحتوي هذه الرواسب على الكوارتز كمعدن أساسي، وغالبًا ما يتداخل مع الفلسبار والميكا. محتوى الكوارتز في البيغماتيت منخفض، عادةً حوالي 25%. يحتوي تركيبه على العديد من الشوائب السائلة والعناصر النزرة، مثل الألومنيوم والليثيوم والبوتاسيوم، مما يجعل تنقيته صعبة. بعض البيغماتيتات، مثل تلك الموجودة في منطقة ألتاي في شينجيانغ، الصين، أنتجت منتجات تجريبية. تتميز هذه المنتجات بنقاء ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) يصل إلى 4N8 (99.998%). وقد تحقق ذلك باستخدام تقنيات متقدمة للاستخلاص الحمضي والمعالجة الحرارية.
الخصائص الرئيسية:
ملف الشوائب: تأتي مستويات عالية من الألومنيوم (Al³⁺) من موقعه في شبكة الكوارتز. أما المعادن القلوية، مثل الصوديوم (Na⁺) والبوتاسيوم (K⁺)، فتوجد في الفلسبارات القريبة.
متطلبات المعالجة:
- تؤدي عملية الطحن متعددة المراحل إلى تحرير الكوارتز من المعادن المتراكمة.
- بعد ذلك، استخدم الاستخلاص المعتمد على حمض الهيدروفلوريك لإذابة الشوائب.
2. الكوارتز الوريدي
يتشكل عروق الكوارتز نتيجةً للنشاط الحراري المائي. تتسرب السوائل الغنية بالسيليكا إلى الشقوق والكسور، مسببةً ترسبًا. تتميز هذه الرواسب بكتلة ضخمة من الكوارتز الأبيض الحليبي، بمحتوى من ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) يتجاوز غالبًا 99%. تتميز عروق الكوارتز في منطقة سوبر بالكاميرون بمناطق عالية النقاء. على سبيل المثال، تُظهر العينة QTZ6 مستويات من الألومنيوم أقل من 15 جزءًا في المليون، ومستويات من التيتانيوم أقل من 10 أجزاء في المليون. ويحدث هذا حتى مع وجود شوائب من الروتيل والتورمالين.
الخصائص الرئيسية:
ملف الشوائب: تهيمن عليه الشوائب المعدنية (مثل الروتيل والتورمالين) والعناصر النزرة المحاصرة بالسوائل (مثل التيتانيوم والحديد).
متطلبات المعالجة:
- أولاً، استخدم الفرز البصري لإزالة المناطق الغنية بالعناصر المتضمنة.
- ثم قم بتطبيق الفصل المغناطيسي.
- وأخيرا، استخدم الكلورة الساخنة للتخلص من الشوائب التي تحتوي على التيتانيوم.
3. الكوارتزيت
الكوارتزيت صخر متحول مشتق من إعادة تبلور حجر الكوارتز الرملي. تحتوي الكوارتزيتات عالية الجودة، مثل تلك التي تنتجها شركة سيبلكو في النرويج، على مستويات SiO₂ تبلغ 98% أو أكثر. وهي مواد خام رئيسية لتقنية HPQ القياسية من IOTA. يقلل انخفاض مسامية المعدن وبنيته المتجانسة من الشوائب السائلة، مما يُبسط عملية التنقية.
الخصائص الرئيسية:
ملف الشوائب: كميات ضئيلة من الألومنيوم والتيتانيوم من المعادن الفتاتية في الحصوات الأولية.
متطلبات المعالجة:
- التكليس عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية لتفكيك الأغشية المتضمنة.
- استخدم الفصل الكهروستاتيكي للتخلص من المعادن الثقيلة المتبقية.
4. الكريستال الطبيعي
تُمثل البلورات الطبيعية، على الرغم من ندرتها، أنقى أشكال الكوارتز، حيث يتجاوز محتوى ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) غالبًا 99.99%. تنمو هذه البلورات في الجيودات أو العروق الحرارية المائية، وتتشكل في ظروف تبريد بطيئة، مما يُساعد على تقليل عيوب الشبكة. ومع ذلك، فإن صغر حجم رواسبها وارتفاع تكاليف التعدين يحدان من قابلية التوسع الصناعي.
التوزيع العالمي لرواسب الكوارتز عالية النقاء
| نوع الخام | المناطق الرئيسية | الودائع البارزة | نقاء SiO₂ (المعالجة اللاحقة) |
|---|---|---|---|
| الجرانيت بيغماتيت | تشينلينغ الشرقية (الصين)، ألتاي (الصين) | حقل بيغماتيت خنان | 99.995% (4N5) |
| الكوارتز الوريدي | الكاميرون، البرازيل، الولايات المتحدة (شجرة التنوب والصنوبر) | الأوردة الحرارية المائية (الكاميرون) | 99.97% (4N7) |
| الكوارتزيت | النرويج وروسيا وأستراليا | الكوارتزيت النرويجي من شركة سيبيلكو | 99.998% (4N8) |
| الكريستال الطبيعي | مدغشقر، البرازيل، أركنساس (الولايات المتحدة) | ميناس جيرايس (البرازيل) | 99.999% (5N) |
تحديات إزالة الشوائب حسب نوع الخام
تلوث الألومنيوم (Al)
المصدر الأساسي: Al³⁺ البديل في شبكة الكوارتز، وخاصة في بيغماتيت الجرانيت.
طريقة الإزالة: الكلورة عالية الحرارة (1200 درجة مئوية) باستخدام غاز Cl₂ لتطاير الألومنيوم على شكل AlCl₃.
تلوث التيتانيوم (Ti)
المصدر الأساسي: شوائب الروتيل (TiO₂) في عروق الكوارتز والكوارتزيت.
طريقة الإزالة: الفصل الكهربائي الاحتكاكي أو التعويم لعزل الجزيئات الغنية بالتيتانيوم.
المعادن القلوية (Na، K، Li)
المصدر الأساسي: الشوائب السائلة في الكوارتز البيغماتيتي.
طريقة الإزالة: التشقق عن طريق الصدمة الحرارية (التبريد بالماء) متبوعًا بغسل حمض الهيدروفلوريك.
الاعتبارات الاقتصادية والتكنولوجية
إمكانية الوصول إلى الموارد: تعتبر رواسب الكوارتز الوريدي والكوارتزيت أكثر جدوى اقتصادية من البلورات الطبيعية النادرة.
كثافة الطاقة: تمثل خطوات التكليس والكلورة حوالي 40% من تكاليف المعالجة، مما يفضل المناطق ذات التعريفات المنخفضة للطاقة.
اللوائح البيئية: يتطلب استخدام حمض الهيدروفلوريك في الاستخلاص أنظمة صارمة لإدارة النفايات، مما يحد من الإنتاج في المناطق ذات السياسات البيئية الصارمة.
يمكنك إنتاج الكوارتز عالي النقاء من أربعة أنواع رئيسية من الخام:
- بيغماتيت الجرانيت
- الكوارتز الوريدي
- الكوارتزيت
- البلورات الطبيعية
يتميز كل نوع من الخامات بتكوينات جيولوجية مميزة، وأنماط شوائب، ومسارات معالجة. تتيح لنا الطرق الجديدة لإزالة الشوائب، وخاصةً الألومنيوم والتيتانيوم، استخدام رواسب كانت باهظة التكلفة في السابق، مثل العروق الحرارية المائية في الكاميرون. تُظهر شركات رائدة مثل سيبلكو أهمية تقنيات التنقية الحصرية للحفاظ على صدارة السوق. يجب أن تكشف عمليات الاستكشاف المستقبلية عن رواسب الكوارتزيت وعروق الكوارتز في مناطق أقل دراسة. كما يجب علينا الاستثمار في طرق إزالة الشوائب منخفضة التكلفة. سيساعد هذا في تنويع سلسلة توريد الهيدروكربونات عالية الجودة (HPQ) العالمية.
