4 طرق معالجة شائعة للرمال السيليكا عالية النقاء

2025-03-27

تعتبر رمال السليكا عالية النقاء هي المادة الأساسية لتطوير الصناعات عالية التقنية، ومجالات تطبيقها تشمل الألياف الضوئية، والصناعات العسكرية، وصناعات الفضاء. تتطلب هذه المجالات متطلبات صارمة للغاية على نقاء رمال السليكا، وخاصة بالنسبة للحديد والألمنيوم والشوائب الأخرى.

توجد الشوائب المعدنية في رمال السليكا عادة على شكل معادن غير رملية مثل الفلسبار، والميكا، والجرانيت، والزركون، والإلمنيت وغيرها الكثير. توجد هذه الشوائب بشكل رئيسي بالطريقة التالية:

(1) كمعادن مرتبطة فضفاضة، فهي ليست مرتبطة كيميائيًا ببلورات السليكا؛

(2) كقطع معدنية، مرتبطة كيميائيًا وفيزيائيًا ببلورات السليكا على سطحها، وتكون هذه الشوائب بشكل رئيسي معادن تحتوي على الحديد ومعادن تحتوي على الألمنيوم؛

(3) معادن مغلفة بجزيئات السليكا أو محاطة ببلورات السليكا المرتبطة ببعضها البعض؛

(4) كأيونات بينية لاستبدال السيليكون، تشمل هذه الشوائب بشكل رئيسي: Al3+، Fe2+، Fe3+، B3+، Ti4+، Ge4+، P5+، وما إلى ذلك. تستبدل هذه الأيونات Si4+ لتكوين روابط تساهمية. عندما يحدث ذلك، يكون عادةً مصحوبًا بعمليات إضافة عناصر مثل Li1+، K1+، Na1+، وH1+ للحفاظ على الحياد الكهربائي لشبكة SiO2. عنصر الألمنيوم هو أحد العناصر الرئيسية للشوائب في خام الكوارتز، وAl3+ وSi4+ لهما أنصاف أقطار مشابهة، مما يسهل استبدال Si4+، وغالبًا ما يكون محتوى الألمنيوم مرتفعًا ليصل إلى عدة آلاف من الأجزاء في المليون. لذلك، فإن محتوى الألمنيوم يعتبر مؤشرًا هامًا على جودة خام الكوارتز.

في الوقت الراهن، تتضمن عملية تنقية رمل الكوارتز عالي النقاء بشكل رئيسي التكسير الميكانيكي، الفصل المغناطيسي، التعويم، الغسل الحمضي، وما إلى ذلك، والتي يمكن أن تزيل بشكل فعال الشوائب من الأيونات المعدنية في شبكة الكوارتز.

1. التكسير الميكانيكي

التكسير الميكانيكي هو أسلوب يستخدم القوة الميكانيكية لتقليل حجم جزيئات المعادن. في عملية تنقية الكوارتز عالي النقاء، تهدف هذه العملية بشكل رئيسي إلى فصل الشوائب غير الهيكلية في معادن الكوارتز عن الكوارتز. تشير الشوائب غير الهيكلية إلى الشوائب المعدنية (الشوائب المعدنية) والمواد المحتوية على غاز-سائل (الشوائب السائلة). توجد الشوائب في حدود حبيبات الكوارتز. بعد سحق معادن الكوارتز الأصلية، يتقلص حجم الجزيئات ويزداد المساحة السطحية النوعية، بحيث يتم فضح الشوائب الموجودة بين حدود الحبيبات على السطح الخارجي لجزيئات الكوارتز، مما يحسن كفاءة التنقية للعملية التالية.

في عملية التكسير الميكانيكي، وبسبب الطبيعة الصلبة نسبيًا لمعادن الكوارتز، سيؤدي الاتصال والاحتكاك المتكرر مع المعدات حتمًا إلى إدخال الشوائب والتسبب في التلوث.

تم تكسير معادن الكوارتز بشكل ناعم جدًا من خلال عملية طحن الكرة الخزفية الرطبة، وتم اختبار حجم جزيئات الكوارتز المعلقة. يتم تمرير السطح المحيط، ويتم زيادة الشكل الكروي بشكل واضح؛ وتم تنقية الكوارتز من خلال الغسل بالماء والغسل الحمضي، وتحسن صفاء الكوارتز الناتج بشكل ملحوظ، مما له قيمة مرجعية معينة لأبحاث تطوير واستخدام الكوارتز.

2. الفصل المغناطيسي

في عملية تنقية الكوارتز عالي النقاء، فإن الهدف من الفصل المغناطيسي هو إزالة بعض المعادن المغناطيسية، مثل الإيلمنيت المغناطيسي، وماس الحديد، والليمونيت، والجارنت، في الشوائب من خام الكوارتز المغناطيسي، مما يكون له تأثير جيد على إزالة وفصل الشوائب المغناطيسية مثل الحديد والتيتانيوم في خام الكوارتز الخام.

يمكن ضبط شدة المجال المغناطيسي للفاصل المغناطيسي، المعروف أيضًا باسم الفصل المغناطيسي التدريجي، واستخدام المغناطيسية الضعيفة لإزالة المغنتيت، واستخدام المغناطيسية القوية لإزالة المعادن المغناطيسية مثل الإيلمنيت، والليمونيت، والهيماتيت، والجارنت. بالنسبة للشوائب الثقيلة المعدنية (المعادن الحبيبية الطينية ذات الكثافة النوعية الأكبر من 2.86، مثل الزركون، والإبيدوت، والجارنت، وما إلى ذلك) الموجودة في خام الكوارتز الأصلي، تُستخدم عادةً طرق مثل الفصل بالجاذبية والفصل المغناطيسي عالي الكثافة. عادةً، تكون معادن الكوارتزتم غسلها بعد الفصل المغناطيسي، مما سيحسن نقاء وبياض رمل السيليكا.

3. الطفو

الطفو هو الفصل الانتقائي للمواد الكارهة للماء والمواد المحبة للماء وفقًا للاختلاف في قابلية تشبع سطح خام المعدن، سواء بطبيعتها أو بعد التعديل. في عملية تنقية السليكا عالية النقاء، يستخدم الطفو بشكل رئيسي لإزالة معادن الميكا والفeldspar التي تتواجد مع السيليكا، ويمكنه أيضًا أن يطفو معادن تحتوي على الفوسفور والحديد.

وفقًا لمواد الكيماويات المختلفة المستخدمة، يمكن تقسيم طفو رمل السيليكا إلى طفو رمل السيليكا الفلوري وطفو رمل السيليكا خالي من الفلور. يستخدم طفو رمل السيليكا الفلوري عوامل تحتوي على الفلور، مثل حمض الهيدروفلوريك (HF) كمفعل للفeldspar، وحمض الكبريتيك كمادة معدلة، بحيث تحت ظروف حامضية قوية بمستوى pH=2-3، يتم استخدام دوديكانلامين كجامع، ويتم امتصاص الفلدسبار المنشط مسبقًا ثم يتم فصله. بشكل مشابه، فإن الطفو الخالي من الفلور لـ رمل السيليكا يتم باستخدام حمض الكبريتيك أو حمض الهيدروكلوريك كمفعل للمعادن الشائبة في السيليكا دون استخدام عوامل تحتوي على الفلور، ثم يتم استخدام جامع مناسب لطيف وتفريق السيليكا والمعادن الشائبة. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت بعض الدراسات أن تأثير الطفو للمجمعات المختلطة أفضل من المجمعات الفردية ويكون فعال من حيث التكلفة.

أجرى بعض الباحثين عملية الطفو العكسي لغالونات رمال الكوارتز لعزل رمل السيليكا عالي النقاء، واستخدموا مجمعات مختلطة لتنقية رمل السيليكا المركب الناعم والخشن للحصول على منتجات كوارتز من درجة 4N. كمية عامل الرغوة 2# زيت 75غ/ط، يتم تحمض رمل السيليكا بحمض الكبريتيك أثناء الانتقاء الخشن، ويستخدم 1,2-ديامين بروبيلين كجامع؛ الجرعة هي 1:4. في نتائج التجربة، شكلت إزالة الشوائب أكثر من 50%، وكان المجموع الكلي للشوائب 99.01 ميكروغرام/جرام، وبلغت معدلات إزالة الألمنيوم والعنصر الحديدي 37.50% و84.15% على التوالي.

4. التحليل الحمضي

التحليل الحمضي هو وسيلة لتنقية السليكا وفقًا لاختلاف ذوبان السليكا والميكا والفeldspar في المحاليل الحمضية. يمكن للتحليل الحمضي إزالة فعالة للفيلم المؤكسد على السطح وخام الحديد. بالنسبة للشوائب المعدنية مثل الميكا والفeldspar، يتم استخدام حمض الهيدروفلوريك عادةً للذوبان. الوسائط الحمضية المستخدمة عادةً للتحليل الحمضي تشمل حمض الهيدروكلوريك، حمض الكبريتيك، حمض النيتريك، حمض الأسيتيك وحمض الهيدروفلوريك. من بينها، يكون للحامض المخفف تأثير أفضل في إزالة الألمنيوم والحديد، ويتم استخدام حمض الكبريتيك المركز الأكثر حموضة، والماء الملكي وحمض الهيدروفلوريك لإزالة الكروم والتيتانيوم.

أظهرت الدراسات أن تواجد الحمض المخفف مع حمض الهيدروفلوريك يمكن أن يزيل بفعالية الحديد والألمنيوم والمغنيسيوم وغيرها من الشوائب المعدنية، ولكن يجب السيطرة على كمية حمض الهيدروفلوريك لأن حمض الهيدروفلوريك يمكن أن يتآكل جزيئات السيليكا. كما تؤثر أنواع الأحماض المختلفة على جودة التنقية والمعالجة. من بينها، يكون تأثير معالجة حمض الهيدروكلوريك وحمض الهيدروفلوريك الممزوج هو الأفضل.

استخدم المختبر محلول التخفيف المختلط من HCl وHF لتنقية رمل الكوارتز بعد عملية الفصل المغناطيسي. من خلال التخفيف الكيميائي، بلغ إجمالي كمية العناصر الشائبة 40.71 ميكروغرام/غ، ونقاء SiO2 يصل إلى 99.993% وزناً.

جوهر عملية التخفيف الحمضي هو التفاعل بين محلول الحمض والمعادن الشائبة. لذلك، فإن درجة الحرارة لها تأثير كبير على معدل التفاعل وأثر التنقية النهائي في عملية التخفيف الحمضي. استخدم المختبر حمض الهيدروكلوريك وحمض الأوكساليك كمواد مختلطة للتخفيف لدراسة تأثير درجة حرارة التخفيف الحمضي، الوقت والتركيز على تأثير تنقية الكوارتز، وحدد في النهاية درجة حرارة التخفيف الحمضي بـ 60 °م ومدة التخفيف الحمضي 8 ساعات، وتركيز حمض الأوكساليك 10 غرام/لتر، وتركيز HCl 5%، ونسبة السائل إلى الصلب 1:5، وسرعة التحريك 500 دورة في الدقيقة كأفضل ظروف للتخفيف الحمضي. تظهر النتائج أن إزالة الحديد تشكل 50%.

عملية التخفيف تحت درجات حرارة وضغوط مرتفعة

إنها تقنية هيدروميتالورجية ناضجة نسبيًا في معالجة خامات المعادن. يمكن لهذه التقنية تقليل استهلاك الحمض بفعالية من خلال درجات الحرارة والضغوط المرتفعة. يتم توفير الضغط العالي من خلال البيئة المغلقة لوعاء التفاعل المكون من غلاف من الفولاذ المقاوم للصدأ وخفيف Teflon. يمكنها إزالة الطفيليات والشوائب بشكل أكثر فعالية، حيث أن تأثير تنقية الخامات العنيدة أفضل من الفصل المغناطيسي والطوفان.