Высокочистый кварц: типы, происхождение, примеси и требования к обработке
- Типы руды: Из некоторых руд получают кварц высокой чистоты.
- Геологическое происхождение: Они происходят из определенных геологических условий.
- Профили примесей: Каждый тип имеет разный профиль примесей.
- Требования к обработке: Их требования к обработке различаются в зависимости от чистоты.
Высокочистый кварц (HPQ) — это кремний (SiO₂) с чистотой 99,95% или более. Он необходим для передовых технологий, таких как полупроводники, фотоэлектрические элементы и волоконная оптика. Производство HPQ зависит от источников кварцевой руды, уровней примесей и методов достижения нужной чистоты. В этом отчете рассматриваются основные типы руды для производства HPQ. В нем рассматривается, где они встречаются по всему миру. В нем также рассматриваются технические проблемы, которые несет каждый тип.
Геологическая классификация высокочистых кварцевых руд
1. Гранитный пегматитовый кварц
Гранитные пегматиты — это грубые магматические породы. Они образуются на последних стадиях кристаллизации магмы. Эти отложения содержат кварц в качестве первичного минерала, часто срастающегося с полевым шпатом и слюдой. Содержание кварца в пегматитах низкое, обычно около 25%. Его структура содержит много жидких включений и следовых примесей, таких как Al, Li и K. Они затрудняют очистку. Некоторые пегматиты, например, в Алтайском регионе Синьцзяна, Китай, дали пилотные продукты. Эти продукты имеют уровень чистоты SiO₂, достигающий 4N8 (99,998%). Это было достигнуто с помощью передового кислотного выщелачивания и термической обработки.
Основные характеристики:
Профиль примесей: Высокие уровни алюминия (Al³⁺) обусловлены его положением в кварцевой решетке. Щелочные металлы, такие как натрий (Na⁺) и калий (K⁺), присутствуют в близлежащих полевых шпатах.
Требования к обработке:
- Многоэтапное измельчение позволяет выделить кварц из жильных пород.
- Затем используйте выщелачивание на основе плавиковой кислоты для растворения включений.
2. Жильный кварц
Жильный кварц образуется в результате гидротермальной активности. Богатые кремнием жидкости просачиваются в трещины и разломы, вызывая осаждение. Эти отложения содержат массивный молочно-белый кварц с содержанием SiO₂, часто превышающим 99%. Кварцевые жилы в районе Супе в Камеруне имеют зоны высокой чистоты. Например, образец QTZ6 показывает уровни Al ниже 15 ppm и уровни Ti ниже 10 ppm. Это происходит даже при наличии включений рутила и турмалина.
Основные характеристики:
Профиль примесей: преобладают минеральные включения (например, рутил, турмалин) и захваченные жидкостью микроэлементы (например, Ti, Fe).
Требования к обработке:
- Во-первых, используйте оптическую сортировку для удаления зон, богатых включениями.
- Затем примените магнитную сепарацию.
- Наконец, используйте горячее хлорирование, чтобы избавиться от примесей, содержащих титан.
3. Кварцит
Кварцит — метаморфическая порода, полученная в результате перекристаллизации кварцевого песчаника. Высокосортные кварциты, такие как Sibelco в Норвегии, имеют уровень SiO₂ 98% или более. Они являются ключевым сырьем для HPQ стандарта IOTA. Низкая пористость и однородная структура минерала уменьшают количество включений жидкости, упрощая очистку.
Основные характеристики:
Профиль примесей: следовые количества Al и Ti из обломочных минералов в протолите.
Требования к обработке:
- Прокаливание при температуре 1200°C для разрушения мембран включений.
- Используйте электростатическую сепарацию, чтобы избавиться от остатков тяжелых минералов.
4. Натуральный хрусталь
Природные кристаллы, хотя и редки, представляют собой чистейшую форму кварца, с содержанием SiO₂, часто превышающим 99,99%. Эти кристаллы растут в жеодах или гидротермальных жилах. Они образуются в условиях медленного охлаждения. Это помогает уменьшить дефекты решетки. Однако небольшие размеры их месторождений и высокие затраты на добычу ограничивают промышленную масштабируемость.
Глобальное распределение месторождений высокочистого кварца
| Тип руды | Ключевые регионы | Известные месторождения | Чистота SiO₂ (после обработки) |
|---|---|---|---|
| Гранитный пегматит | Восточный Циньлин (Китай), Алтай (Китай) | Месторождение пегматита Хэнань | 99.995% (4N5) |
| Жильный кварц | Камерун, Бразилия, США (ель сосна) | Гидротермальные жилы Супе (Камерун) | 99.97% (4N7) |
| Кварцит | Норвегия, Россия, Австралия | Норвежский кварцит Sibelco | 99.998% (4N8) |
| Натуральный Кристалл | Мадагаскар, Бразилия, Арканзас (США) | Минас-Жерайс (Бразилия) | 99.999% (5Н) |
Проблемы удаления примесей в зависимости от типа руды
Загрязнение алюминием (Al)
Первичный источник: замещенный Al³⁺ в кварцевой решетке, особенно в гранитных пегматитах.
Метод удаления: высокотемпературное хлорирование (1200°C) с использованием газообразного Cl₂ для улетучивания Al в виде AlCl₃.
Загрязнение титаном (Ti)
Первичный источник: включения рутила (TiO₂) в жильном кварце и кварците.
Метод удаления: трибоэлектрическое разделение или флотация для выделения частиц, богатых титаном.
Щелочные металлы (Na, K, Li)
Первичный источник: жидкие включения в пегматитовом кварце.
Метод удаления: Растрескивание посредством термического удара (закалка водой) с последующим выщелачиванием плавиковой кислотой.
Экономические и технологические соображения
Доступность ресурсов: жильные месторождения кварца и кварцита более выгодны с экономической точки зрения, чем редкие природные кристаллы.
Энергоемкость: на этапы прокаливания и хлорирования приходится около 401 TP3T затрат на обработку, что выгодно для регионов с низкими тарифами на электроэнергию.
Экологическое законодательство: использование HF при выщелачивании требует строгих систем управления отходами, что ограничивает производство в регионах со строгой экологической политикой.
Высокочистый кварц можно производить из четырех основных типов руд:
- Гранитные пегматиты
- Жильный кварц
- Кварцит
- Натуральные кристаллы
Каждый тип руды представляет собой отдельные геологические формации, профили примесей и пути обработки. Новые методы удаления примесей, особенно Al и Ti, позволяют нам использовать месторождения, которые когда-то были слишком дорогими, например, гидротермальные жилы в Камеруне. Такие известные игроки, как Sibelco, показывают, насколько важны фирменные технологии очистки для удержания на вершине рынка. Будущие исследования должны найти месторождения кварцита и жильного кварца в менее изученных районах. Кроме того, мы должны инвестировать в дешевые методы удаления примесей. Это поможет диверсифицировать глобальную цепочку поставок HPQ.
