Thạch anh tinh khiết cao: Các loại, nguồn gốc, tạp chất và nhu cầu chế biến
- Các loại quặng:Một số loại quặng tạo ra thạch anh có độ tinh khiết cao.
- Nguồn gốc địa chất:Chúng xuất phát từ những điều kiện địa chất cụ thể.
- Hồ sơ tạp chất:Mỗi loại có thành phần tạp chất khác nhau.
- Yêu cầu xử lý: Nhu cầu xử lý của chúng khác nhau về độ tinh khiết.
Thạch anh tinh khiết cao (HPQ) là silica (SiO₂) có độ tinh khiết 99,95% trở lên. Nó rất cần thiết cho các công nghệ tiên tiến như chất bán dẫn, tế bào quang điện và sợi quang. Sản xuất HPQ phụ thuộc vào nguồn quặng thạch anh, mức độ tạp chất và phương pháp để đạt được độ tinh khiết phù hợp. Báo cáo này nêu bật các loại quặng chính để sản xuất HPQ. Báo cáo khám phá nơi chúng được tìm thấy trên khắp thế giới. Báo cáo cũng xem xét các thách thức kỹ thuật mà mỗi loại mang lại.
Phân loại địa chất của quặng thạch anh có độ tinh khiết cao
1. Thạch anh loại Pegmatit Granite
Đá pegmatit granit là đá mácma thô. Chúng hình thành trong giai đoạn cuối của quá trình kết tinh macma. Các mỏ này chứa thạch anh là khoáng chất chính, thường xen kẽ với fenspat và mica. Hàm lượng thạch anh trong pegmatit thấp, thường vào khoảng 25%. Cấu trúc của nó chứa nhiều tạp chất lỏng và tạp chất vết, chẳng hạn như Al, Li và K. Những tạp chất này làm cho quá trình tinh chế trở nên khó khăn. Một số pegmatit, chẳng hạn như những pegmatit ở vùng Altay của Tân Cương, Trung Quốc, đã tạo ra các sản phẩm thí điểm. Các sản phẩm này có độ tinh khiết SiO₂ đạt 4N8 (99,998%). Điều này đạt được bằng cách sử dụng phương pháp ngâm axit tiên tiến và xử lý nhiệt.
Đặc điểm chính:
Hồ sơ tạp chất: Nồng độ nhôm (Al³⁺) cao xuất phát từ vị trí của nó trong mạng thạch anh. Các kim loại kiềm, như natri (Na⁺) và kali (K⁺), có trong các fenspat gần đó.
Yêu cầu xử lý:
- Quá trình nghiền nhiều giai đoạn giải phóng thạch anh khỏi các khoáng chất phế thải.
- Sau đó, sử dụng phương pháp ngâm chiết dựa trên HF để hòa tan các tạp chất.
2. Thạch anh vân
Thạch anh vân phát triển từ hoạt động thủy nhiệt. Chất lỏng giàu silica thấm vào các vết nứt và khe nứt, gây ra sự kết tủa. Các mỏ này thể hiện thạch anh trắng sữa, khối lượng lớn với hàm lượng SiO₂ thường vượt quá 99%. Các mạch thạch anh ở khu vực Supe của Cameroon có các vùng có độ tinh khiết cao. Ví dụ, mẫu QTZ6 cho thấy mức Al dưới 15 ppm và mức Ti dưới 10 ppm. Điều này xảy ra ngay cả khi có sự hiện diện của các tạp chất rutil và tourmaline.
Đặc điểm chính:
Hồ sơ tạp chất: Chủ yếu là các tạp chất khoáng (ví dụ, rutil, tourmaline) và các nguyên tố vi lượng bị giữ trong chất lỏng (ví dụ, Ti, Fe).
Yêu cầu xử lý:
- Đầu tiên, sử dụng phương pháp phân loại quang học để loại bỏ các vùng giàu tạp chất.
- Sau đó, áp dụng phương pháp tách từ.
- Cuối cùng, sử dụng phương pháp khử trùng bằng clo nóng để loại bỏ tạp chất chứa Ti.
3. Đá thạch anh
Quartzite là một loại đá biến chất có nguồn gốc từ quá trình kết tinh lại của đá sa thạch thạch anh. Quartzite chất lượng cao, như loại từ Sibelco ở Na Uy, có mức SiO₂ là 98% trở lên. Chúng là nguồn nguyên liệu chính cho HPQ theo tiêu chuẩn IOTA. Độ xốp thấp và cấu trúc đồng nhất của khoáng chất làm giảm tạp chất lỏng, giúp đơn giản hóa quá trình tinh chế.
Đặc điểm chính:
Hồ sơ tạp chất: Một lượng nhỏ Al và Ti từ các khoáng chất vụn trong nguyên sinh chất.
Yêu cầu xử lý:
- Nung ở nhiệt độ 1.200°C để phá vỡ màng bao phủ.
- Sử dụng phương pháp tách tĩnh điện để loại bỏ các khoáng chất nặng còn sót lại.
4. Pha lê tự nhiên
Tinh thể tự nhiên, mặc dù hiếm, đại diện cho dạng thạch anh tinh khiết nhất, với hàm lượng SiO₂ thường vượt quá 99,99%. Những tinh thể này phát triển trong các mạch địa cực hoặc mạch thủy nhiệt. Chúng hình thành trong điều kiện làm mát chậm. Điều này giúp giảm các khuyết tật mạng tinh thể. Tuy nhiên, kích thước mỏ nhỏ và chi phí khai thác cao của chúng hạn chế khả năng mở rộng quy mô công nghiệp.
Phân phối toàn cầu các mỏ thạch anh có độ tinh khiết cao
| Loại quặng | Các khu vực chính | Tiền gửi đáng chú ý | Độ tinh khiết của SiO₂ (Hậu xử lý) |
|---|---|---|---|
| Đá granit pegmatit | Đông Tần Lĩnh (Trung Quốc), Altay (Trung Quốc) | Mỏ Pegmatit Hà Nam | 99.995% (4N5) |
| Thạch anh vân | Cameroon, Brazil, Hoa Kỳ (Thông vân sam) | Mạch thủy nhiệt siêu cấp (Cameroon) | 99.97% (4N7) |
| Đá thạch anh | Na Uy, Nga, Úc | Đá thạch anh Na Uy của Sibelco | 99.998% (4N8) |
| Pha lê tự nhiên | Madagascar, Brazil, Arkansas (Hoa Kỳ) | Minas Gerais (Brazil) | 99.999% (5N) |
Thách thức loại bỏ tạp chất theo loại quặng
Ô nhiễm nhôm (Al)
Nguồn chính: Al³⁺ thay thế trong mạng thạch anh, đặc biệt là trong pegmatit granit.
Phương pháp loại bỏ: Khử trùng bằng clo ở nhiệt độ cao (1.200°C) bằng khí Cl₂ để bay hơi Al thành AlCl₃.
Ô nhiễm Titan (Ti)
Nguồn chính: Các tạp chất rutile (TiO₂) trong mạch thạch anh và thạch anh.
Phương pháp loại bỏ: Tách bằng điện ma sát hoặc tuyển nổi để cô lập các hạt giàu Ti.
Kim loại kiềm (Na, K, Li)
Nguồn chính: Các tạp chất lỏng trong thạch anh pegmatit.
Phương pháp loại bỏ: Làm nổ bằng sốc nhiệt (làm nguội bằng nước) sau đó rửa trôi bằng HF.
Những cân nhắc về kinh tế và công nghệ
Khả năng tiếp cận tài nguyên: Các mỏ thạch anh và thạch anh dạng mạch có giá trị kinh tế cao hơn so với các tinh thể tự nhiên quý hiếm.
Cường độ năng lượng: Các bước nung và khử trùng chiếm khoảng 40% chi phí xử lý, ưu tiên các khu vực có biểu giá năng lượng thấp.
Quy định về môi trường: Việc sử dụng HF trong quá trình ngâm chiết đòi hỏi phải có hệ thống quản lý chất thải nghiêm ngặt, hạn chế sản xuất ở những khu vực có chính sách môi trường nghiêm ngặt.
Bạn có thể sản xuất thạch anh có độ tinh khiết cao từ bốn loại quặng chính:
- Đá pegmatit granit
- Thạch anh vân
- Đá thạch anh
- Tinh thể tự nhiên
Mỗi loại quặng đều có các thành tạo địa chất, hồ sơ tạp chất và lộ trình chế biến riêng biệt. Các phương pháp mới để loại bỏ tạp chất, đặc biệt là Al và Ti, cho phép chúng ta sử dụng các mỏ từng quá tốn kém, như các mạch thủy nhiệt ở Cameroon. Các công ty lâu đời như Sibelco cho thấy các công nghệ tinh chế độc quyền quan trọng như thế nào để duy trì vị trí dẫn đầu thị trường. Hoạt động thăm dò trong tương lai phải tìm ra các mỏ thạch anh và thạch anh mạch ở những khu vực ít được nghiên cứu hơn. Ngoài ra, chúng ta nên đầu tư vào các phương pháp loại bỏ tạp chất giá rẻ. Điều này sẽ giúp đa dạng hóa chuỗi cung ứng HPQ toàn cầu.
