Avec le rôle de plus en plus important du sable de quartz de haute pureté dans des industries émergentes stratégiques telles que les nouvelles énergies et les technologies de l'information de nouvelle génération, son système de purification poussée a connu un développement fulgurant.
Écrasement et Affûtage
Les équipements de concassage courants pour le quartz comprennent les concasseurs à mâchoires, les concasseurs à cône et broyeurs à bouletsLes concasseurs à mâchoires sont des concasseurs primaires à haute capacité de traitement, généralement de 10 à 100 t/h. Ils permettent de concasser le minerai de quartz, réduisant les particules de grande taille à 10-100 mm. Les concasseurs à cône sont principalement utilisés pour le concassage moyen, permettant de réduire les matériaux à 5-20 mm. Les broyeurs à boulets sont utilisés pour le concassage fin. broyage du sable de quartz jusqu'à une granulométrie de 0,1 à 1 mm.
Lors du broyage, en ajustant des paramètres tels que la granulométrie d'alimentation et la durée de broyage, on obtient des sables de quartz aux granulométries souhaitées. Par exemple, dans un broyeur à boulets, le rapport billes/alimentation est généralement de 2 à 5:1, et la durée de broyage, généralement de 2 à 8 heures, doit être déterminée en fonction de la granulométrie désirée.
Ces dernières années, les technologies de concassage sélectif qui optimisent l'exposition des impuretés et limitent le sur-concassage ont suscité un intérêt considérable. Parmi elles, le concassage électrique pulsé à haute tension (HVP/EPF) présente un potentiel d'application important. Cette technologie repose sur l'impact des décharges et les effets de claquage électrique, qui orientent la propagation des fissures de manière préférentielle le long des joints de grains, des interfaces de phases et des interfaces d'inclusions, améliorant ainsi significativement l'efficacité de dissociation des monomères du sable de quartz et des impuretés.
Lavage
Le lavage permet de réduire la teneur en fer du sable de quartz de 0,1%–0,3% à 0,05%–0,15%. Cette dernière valeur permet d'éliminer plus rapidement et efficacement la fine pellicule d'impuretés adhérant à la surface du sable. La durée du lavage est généralement de 30 à 60 minutes. Ce procédé permet de réduire davantage la teneur en impuretés et d'améliorer la pureté du sable de quartz.
Sélection et classement
Les méthodes de classification les plus fréquemment utilisées pour le quartz sont le criblage, le classement hydraulique et le classement pneumatique. Parmi les équipements de classement couramment utilisés figurent les cribles vibrants, les hydrocyclones et les classificateurs pneumatiques. Les cribles vibrants atteignent une efficacité de criblage de 800 à 900 TP3T, tandis que les hydrocyclones offrent une excellente précision de classification, séparant les particules de 0,01 à 0,1 mm. Les classificateurs pneumatiques permettent une classification encore plus précise, répondant aux exigences d'uniformité des particules du sable de quartz de haute pureté. En production, la granulométrie du matériau d'alimentation est souvent strictement contrôlée dans la plage optimale de 0,074 à 4,75 mm.
Tri par couleur (tri photoélectrique)
La technologie de tri optique est principalement utilisée dans la section sèche après le concassage et le tamisage. Elle sert à la présélection des matières premières ou à la finition des produits finis afin d'améliorer la blancheur et l'homogénéité de l'aspect, et de réduire les variations entre lots. Le tri optique est efficace pour éliminer les particules à forte concentration d'impuretés, même dispersées de manière discrète. Cependant, son efficacité sur les impuretés ferreuses présentes sous forme de fines pellicules ou d'inclusions est limitée. Il est généralement nécessaire de le combiner à des procédés tels que le lavage, le déschlammage et la séparation magnétique pour obtenir une élimination plus poussée des impuretés.
Séparation magnétique
La séparation magnétique est devenue l'une des techniques les plus utilisées pour la purification du sable de quartz. La séparation magnétique humide à haute intensité et la séparation magnétique à gradient élevé sont particulièrement avantageuses pour l'élimination des impuretés fines faiblement magnétiques. Elles sont donc fréquemment employées lors du désenvasement du sable de quartz. En pratique, la séparation magnétique à gradient élevé nécessite généralement un contrôle précis de l'intensité du champ magnétique lors du traitement des impuretés faiblement magnétiques. L'intensité d'induction magnétique optimale se situe généralement entre 1,0 et 2,0 T. Cette plage permet d'améliorer la capacité de collecte des minéraux faiblement magnétiques et contribue également, dans une certaine mesure, au maintien du taux de récupération des produits issus du sable de quartz.
De plus, l'efficacité de la séparation magnétique dépend étroitement de facteurs tels que la granulométrie de l'alimentation, la concentration de la suspension et le débit, et n'est pas uniquement déterminée par l'intensité du champ magnétique. Un contrôle inadéquat de la granulométrie ou une forte concentration de fines peuvent accentuer l'entraînement mécanique, affectant ainsi l'efficacité finale de la séparation. Par conséquent, les paramètres opératoires doivent être optimisés en fonction des propriétés des matières premières lors du processus de séparation magnétique afin d'améliorer l'élimination des impuretés.
Flottation
La flottation est largement utilisée pour éliminer les gangues faiblement magnétiques ou non magnétiques telles que le feldspath, le mica et la limonite. Grâce aux différences de mouillabilité de la surface des minéraux, elle permet une élimination efficace d'éléments comme l'aluminium, le potassium, le sodium et le fer. Actuellement, les procédés de flottation du quartz de haute pureté utilisés industriellement se répartissent principalement en trois catégories : « avec fluor et acide », « sans fluor et acide » et « sans fluor ni acide ». La principale différence réside dans la stratégie de contrôle du milieu de la suspension et dans les différents mécanismes d'activation/inhibition à la surface des impuretés telles que le feldspath et le mica.
Parmi ces procédés, le procédé écologique et avancé sans fluor ni acide vise à réaliser la séparation dans des suspensions neutres ou alcalines. Il permet ainsi de réduire davantage les coûts liés à la protection de l'environnement et aux équipements. Son principe repose sur l'effet synergique de collecteurs mixtes anioniques/cationiques, d'inhibiteurs et d'activateurs.
Procédé de traitement thermique
Dans un environnement à haute température, plusieurs inclusions gazeuses et liquides présentes dans le quartz se dilatent et se rompent progressivement. Les hautes températures peuvent également induire une transformation cristalline du quartz, renforçant ainsi son activité chimique. Ceci facilite les réactions entre les impuretés et les réactifs de purification. Par ailleurs, la calcination élimine la matière organique et certaines impuretés volatiles de la surface du quartz. Elle garantit ainsi la pureté du sable de quartz, jetant les bases de la production d'un sable de quartz de haute qualité et de haute pureté.
Les équipements de calcination couramment utilisés pour la purification du quartz comprennent les fours à moufle et les fours rotatifs. Les premiers conviennent aux essais et à la production à petite échelle, permettant un contrôle précis de la température et de l'atmosphère. Les seconds sont plus adaptés à la production industrielle à grande échelle, offrant une meilleure continuité et une plus grande efficacité. Les paramètres du procédé de calcination sont principalement la température, la durée et l'atmosphère. Les températures de calcination se situent généralement entre 800 et 1200 °C.
Cependant, pour le bore structural et les impuretés à l'état de traces telles que le potassium et le sodium, fortement liées au réseau Si-O, un grillage par chloration à haute température est nécessaire. Lors de ce procédé, le quartz subit une transformation cristalline, passant de l'α-quartz à l'α-trichiolite, puis à l'α-cristobalite. Ceci permet aux ions métalliques présents dans le réseau cristallin du quartz de migrer et de diffuser de manière directionnelle vers sa surface. Ils réagissent alors avec l'agent chlorant pour former des chlorures à bas point de fusion et d'ébullition, éliminant ainsi les impuretés du réseau. Simultanément, sous une atmosphère de chloration fortement concentrée, un gradient de potentiel chimique se crée entre la surface et l'intérieur des particules de quartz, favorisant la diffusion des inclusions fluides vers l'extérieur. Ce processus contribue à l'élimination des inclusions gaz-liquide et des groupes hydroxyle du quartz.
lixiviation alcaline
La lixiviation alcaline utilise principalement des solutions fortement alcalines telles que NaOH et KOH à haute température pour réagir avec les impuretés d'oxydes acides et les minéraux silicatés de la gangue présents dans le sable de quartz. Ce procédé produit des silicates et des aluminates solubles, qui sont ensuite éliminés par lavage. La lixiviation alcaline présente une excellente dissolution sélective des impuretés d'oxydes métalliques amphotères telles que Al₂O₃ et TiO₂. Elle est particulièrement efficace pour les impuretés d'aluminium et de titane présentes à la surface des particules de quartz et dans les microfissures sous forme de films d'oxyde ou d'inclusions fines.
Actuellement, la lixiviation alcaline à haute température est une méthode couramment utilisée pour améliorer l'élimination des impuretés lors de la purification poussée du sable de quartz. L'efficacité de ce procédé dépend principalement de facteurs tels que la concentration de la solution alcaline et la température de réaction. Une augmentation appropriée de l'intensité de la lixiviation contribue à améliorer l'élimination des impuretés. Cependant, des conditions trop drastiques peuvent entraîner une dissolution accrue de la matrice de quartz et augmenter le risque de résidus de Na⁺. Par conséquent, après la lixiviation alcaline, un lavage à l'eau abondant est généralement nécessaire, et un lavage acide et une neutralisation peuvent s'avérer indispensables. Ceci afin de réduire la pollution secondaire due au dépôt de sels solubles.
lixiviation acide
La lixiviation acide est une étape cruciale de la purification poussée du sable de quartz ; il s'agit essentiellement d'une réaction chimique à l'interface solide-liquide. Sous l'effet dissolvant et complexant des acides forts, les oxydes métalliques tels que le fer, l'aluminium et le titane, ainsi que certaines impuretés silicatées, sont transférés de la phase solide à la phase liquide et éliminés. Afin d'optimiser l'élimination des impuretés, un système d'acides mixtes est souvent utilisé industriellement. L'acide fluorhydrique (HF) est principalement employé pour dissoudre les silicates et les inclusions cristallines. Les acides inorganiques (HCl, HNO₃, H₂SO₄, etc.) servent à dissoudre les oxydes métalliques. Les acides organiques (tels que l'acide oxalique et l'acide citrique) favorisent la complexation et la lixiviation des ions métalliques.
État actuel des applications industrielles de la technologie de purification du quartz
Face à la demande croissante de quartz pur et de haute qualité émanant d'industries en aval telles que le photovoltaïque et les semi-conducteurs, l'application industrielle des différentes technologies de purification présente une nette stratification. Chaque procédé de purification se distingue nettement par l'élimination des impuretés ciblées, son mécanisme d'action et ses limitations techniques. Ces caractéristiques déterminent également son statut actuel d'application industrielle.
Conclusion
L'évolution des technologies et des équipements de purification du quartz de haute pureté révèle une profonde influence de trois forces motrices : la demande industrielle, les politiques environnementales et la recherche fondamentale.
Parmi ces facteurs, la mise à niveau itérative des exigences industrielles constitue le moteur fondamental. Ceci est démontré par :
- La demande de l'industrie électronique en matière de haute pureté ;
- Le besoin urgent du secteur des nouvelles énergies en procédés à faible coût et à haute efficacité ;
- La promotion d'une production écologique et du recyclage des ressources dans le cadre de la « neutralité carbone ».
Tournée vers l'avenir, la technologie de purification du quartz de haute pureté évolue de manière coordonnée vers l'intelligence (optimisation des processus assistée par l'IA), l'écologisation (systèmes de réactifs entièrement biodégradables) et la précision (contrôle de la séparation au niveau atomique).
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— Publié par Emily Chen
