В связи с возрастающей ролью высокочистого кварцевого песка в стратегически важных развивающихся отраслях, таких как новые источники энергии и информационные технологии следующего поколения, система глубокой очистки этого песка совершила скачок в развитии.
Дробление и Шлифовка
К распространенному дробильному оборудованию для кварца относятся щековые дробилки, конусные дробилки и шаровые мельницыЩековые дробилки — это дробилки грубого помола с высокой производительностью, обычно 10–100 т/ч. С помощью щековых дробилок кварцевая руда измельчается из крупных частиц до размера 10–100 мм. Конусные дробилки в основном используются для среднего помола, дальнейшего измельчения материалов до размера 5–20 мм. Шаровые мельницы используются для тонкого помола. измельчение кварцевого песка до размера частиц 0,1–1 мм.
В процессе дробления, регулируя такие параметры, как размер частиц подаваемого материала и время измельчения, можно получить кварцевый песок с подходящими размерами частиц. Например, соотношение шаров к подающему материалу в шаровой мельнице обычно контролируется в диапазоне 2–5:1, а время измельчения определяется исходя из требований к размеру частиц продукта, как правило, от 2 до 8 часов.
В последние годы значительное внимание уделяется технологиям селективного дробления, которые повышают доступность примесей и уменьшают чрезмерное дробление. Среди них особый потенциал применения демонстрирует импульсное электродробление высоким напряжением (HVP/EPF). Эта технология основана на эффектах разрядного воздействия и электрического пробоя, которые приводят к преимущественному распространению трещин вдоль границ зерен, фазовых границ и границ включений, тем самым значительно повышая эффективность диссоциации мономеров кварцевого песка и примесей.
Чистка
Промывка позволяет снизить содержание железа в кварцевом песке с 0,11–0,31 ТТ3 до 0,051–0,151 ТТ3. Последний метод позволяет быстрее и эффективнее разрушить тонкую пленку примесей, прилипших к поверхности кварцевого песка. Время промывки обычно составляет около 30–60 минут. Это позволяет дополнительно снизить содержание примесей и повысить чистоту кварцевого песка.
Отбор и оценка
Наиболее часто используемые методы классификации кварца — это просеивание, гидравлическая сортировка и пневматическая классификация. К распространенному сортировочному оборудованию относятся вибрационные грохоты, гидроциклоны и пневматические классификаторы. Вибрационные грохоты обеспечивают эффективность просеивания 801Т3Т–901Т3Т, в то время как гидроциклоны обеспечивают превосходную точность классификации, отделяя частицы размером от 0,01 до 0,1 мм. Пневматические классификаторы позволяют достичь еще более точной классификации, удовлетворяя требованиям к однородности частиц высокочистого кварцевого песка. В реальном производстве размер частиц исходного материала часто строго контролируется в оптимальном диапазоне 0,074–4,75 мм.
Сортировка по цвету (фотоэлектрическая сортировка)
Технология цветовой сортировки в основном применяется в сухом цехе после дробления и просеивания. Она используется для предварительного отбора сырья или для окончательной обработки готовой продукции с целью улучшения белизны и однородности внешнего вида, а также снижения колебаний в партиях. Цветовая сортировка эффективна для удаления дискретно распределенных частиц с высокой концентрацией примесей. Однако ее эффективность в отношении примесей железа, существующих в виде тонких пленок или включений, ограничена. Обычно для достижения глубокого удаления примесей ее необходимо сочетать с такими процессами, как промывка, обесшламливание и магнитная сепарация.
Магнитная сепарация
Магнитная сепарация стала одним из наиболее широко используемых методов очистки кварцевого песка. Влажная высокоинтенсивная магнитная сепарация и высокоградиентная магнитная сепарация особенно эффективны при удалении мелкозернистых слабомагнитных примесей. Поэтому они часто используются в процессе глубокого удаления железа из кварцевого песка. На практике высокоградиентная магнитная сепарация обычно требует контроля соответствующей напряженности магнитного поля при обработке слабомагнитных примесей. Оптимальная интенсивность магнитной индукции в основном находится в диапазоне 1,0–2,0 Тл. Этот диапазон способствует повышению собирающей способности слабомагнитных минералов и может также в некоторой степени поддерживать степень извлечения кварцевого песка.
Кроме того, эффективность магнитной сепарации тесно связана с такими факторами, как размер частиц исходного сырья, концентрация суспензии и скорость потока, и определяется не только напряженностью магнитного поля. Неправильный контроль размера частиц или высокое содержание мелкодисперсного шлама могут усугубить механическое унос, что повлияет на конечный эффект сепарации. Поэтому для повышения эффективности удаления примесей необходимо оптимизировать рабочие параметры в сочетании со свойствами исходного сырья в процессе магнитной сепарации.
Флотация
Флотация широко используется для удаления слабомагнитных/немагнитных пустых пород, таких как полевой шпат, слюда и лимонит. Благодаря различиям в смачиваемости поверхности минералов, она обеспечивает эффективное удаление таких элементов, как Al, K, Na и Fe. В настоящее время в промышленности применяются три основных типа флотации высокочистого кварца: «фторсодержащий и кислотосодержащий», «бесфторсодержащий и кислотосодержащий» и «бесфторсодержащий и кислотосодержащий». Основное различие заключается в стратегии контроля среды суспензии и различных механизмах активации/ингибирования на поверхности примесей, таких как полевой шпат и слюда.
Среди них, передовой и экологически чистый процесс, не содержащий фтора и кислот, направлен на завершение разделения в нейтральных или щелочных суспензиях. Это дополнительно снижает затраты на охрану окружающей среды и оборудование. Его суть заключается в высокой зависимости от синергетического эффекта смешанных анионных/катионных собирателей, ингибиторов и активаторов.
Процесс термообработки
В условиях высоких температур несколько газообразных и жидких включений в кварце постепенно расширяются и разрушаются. Высокие температуры также могут вызывать кристаллические превращения в кварце, повышая его химическую активность. Это облегчает реакции между примесями и очищающими реагентами. В дополнение к вышеперечисленным эффектам, прокаливание удаляет органические вещества и некоторые летучие примеси с поверхности кварца. Это обеспечивает чистоту кварцевого песка, закладывая основу для производства высококачественного кварцевого песка высокой чистоты.
К распространенному оборудованию для прокаливания кварца относятся муфельные печи и вращающиеся печи. Первые подходят для мелкомасштабных экспериментов и производства, позволяя точно контролировать температуру и атмосферу. Вторые больше подходят для крупномасштабного промышленного производства, обеспечивая большую непрерывность и эффективность. Параметры процесса прокаливания в основном включают температуру, время и атмосферу. Температура прокаливания обычно составляет от 800 до 1200℃.
Однако для структурного бора и следовых примесей, таких как калий и натрий, которые прочно связаны с Si-O-структурой, требуется высокотемпературный хлорирующий обжиг. В процессе хлорирующего обжига кварц претерпевает кристаллическую трансформацию из α-кварца в α-трихиолит, а затем в α-кристобалит. Это позволяет ионам металлов в кристаллической решетке кварца мигрировать и направленно диффундировать к поверхности кварца. Затем они реагируют с хлорирующим агентом, образуя хлориды с низкой температурой плавления и кипения, тем самым удаляя примеси из решетки. Одновременно в высококонцентрированной хлорирующей атмосфере существует градиент химического потенциала между поверхностью и внутренней частью частиц кварца, способствующий диффузии флюидных включений наружу. Это дополнительно удаляет газожидкостные включения и гидроксильные группы из кварца.
Щелочное выщелачивание
Щелочное выщелачивание в основном использует сильные щелочные растворы, такие как NaOH и KOH, при высоких температурах для реакции с кислыми оксидными примесями и силикатными пустыми породами в кварцевом песке. В результате образуются растворимые силикаты и алюминаты, которые затем удаляются промывкой. Щелочное выщелачивание демонстрирует превосходное селективное растворение амфотерных примесей оксидов металлов, таких как Al₂O₃ и TiO₂. Особенно эффективно для примесей алюминия и титана, присутствующих на поверхности частиц кварца и в микротрещинах в виде оксидных пленок или мелких включений.
В настоящее время высокотемпературное щелочное выщелачивание является одним из наиболее распространенных методов повышения эффективности удаления примесей при глубокой очистке кварцевого песка. На эффективность этого процесса в основном влияют такие факторы, как концентрация щелочного раствора и температура реакции. Соответствующее увеличение интенсивности выщелачивания способствует повышению эффективности удаления примесей. Однако, если условия слишком жесткие, это может привести к усиленному растворению кварцевой матрицы и увеличению риска образования остатков Na⁺. Поэтому после щелочного выщелачивания обычно требуется тщательная промывка водой, а при необходимости – кислотная промывка и нейтрализация. Это необходимо для снижения вторичного загрязнения, вызванного отложением растворимых солей.
Кислотное выщелачивание
Кислотное выщелачивание является важнейшим этапом глубокой очистки кварцевого песка, по сути, химической реакцией на границе раздела твердой и жидкой фаз. Под действием растворяющих и комплексообразующих кислот оксиды металлов, такие как Fe, Al и Ti, а также некоторые силикатные примеси, переносятся из твердой фазы в жидкую и удаляются. Для повышения эффективности удаления примесей в промышленности часто используется смешанная кислотная система. Фторфторид (HF) в основном используется для растворения силикатов и включений кристаллической решетки. Неорганические кислоты (HCl, HNO3, H2SO4 и др.) используются для растворения оксидов металлов. Органические кислоты (такие как щавелевая и лимонная кислоты) могут способствовать комплексообразованию и выщелачиванию ионов металлов.
Современное состояние промышленного применения технологии очистки кварца.
В связи с растущими требованиями к чистоте и качеству кварца со стороны таких отраслей, как фотовольтаика и полупроводники, промышленное применение различных технологий очистки демонстрирует четкую стратификацию. Каждый процесс очистки значительно отличается по целевому удалению примесей, механизму действия и техническим ограничениям. Это также определяет его текущее состояние промышленного применения на практике.
Заключение
Эволюция технологий и оборудования для очистки кварца высокой чистоты демонстрирует глубокое влияние трех движущих сил: промышленного спроса, экологической политики и фундаментальных исследований.
Среди них итеративное совершенствование промышленных требований является основополагающим фактором. Это подтверждается следующими фактами:
- Потребность электронной промышленности в высокой чистоте;
- Новая энергетическая отрасль остро нуждается в недорогих и высокоэффективных процессах;
- Стремление к экологически чистому производству и переработке ресурсов в рамках концепции «углеродной нейтральности».
В перспективе технология очистки кварца высокой чистоты развивается скоординированным образом в направлении интеллектуальности (оптимизация процессов с помощью ИИ), экологичности (полностью биоразлагаемые реагентные системы) и точности (контроль разделения на атомном уровне).
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете связаться с представителем Zelda Online по любым вопросам.
— Автор: Эмили Чен
