مواد شیمیایی برای فرآوری کوارتز

2025-03-27

بخش اسید معدنی

1. اسید هیدروکلریک و نمک‌های کلرید

اسید هیدروکلریک

یکی از اسیدهای غیرآلی کلاسیک، این اسید دارای حلالیت خوبی برای اکسیدهای آهن و مواد معدنی رس است. به دلیل قیمت پایین و اثر واضح و شهودی آن به طور گسترده‌ای استفاده می‌شود. چه در فرآیند خیس کردن برای حذف پوست زرد در صفحه کوارتز، و چه در خیس کردن شن با خلوص بالا، اسید هیدروکلریک مورد توجه است.

تصفیه آب‌های زائد اسید کلریدریک نسبتاً ساده است. خنثی‌سازی محلول با قلیایی به حالت خنثی و رسوب‌گذاری مجدد می‌تواند استاندارد تخلیه ملی را برآورده کند. با این حال، در میان موارد حفاظت از محیط زیست مربوط به آلودگی اسیدی در مکان‌های مختلف، آلودگی آب‌های زائد حاوی اسید کلریدریک رایج‌ترین است.

چرا؟

خنثی‌سازی فاضلاب اسید هیدروکلریک نیاز به مصرف قلیایی دارد. با در نظر گرفتن آهک زنده که به‌طور معمول استفاده می‌شود، طبق تعادل شیمیایی، مایع زاید تولید شده توسط یک تن اسید هیدروکلریک صنعتی ۳۱٪ به‌طور نظری حدود ۰.۲۵ تن آهک زنده مصرف می‌کند. در واقع، به‌دلیل اینکه آهک زنده به‌طور کامل حل نمی‌شود، اگر ۵۰٪ از آهک زنده در واکنش شرکت کند، حدود ۰.۵ تن آهک زنده برای مایع زاید تولید شده توسط یک تن اسید هیدروکلریک صنعتی مصرف می‌شود. قیمت یک تن اسید هیدروکلریک صنعتی ۱۰۰-۴۰۰ یوان است و قیمت متوسط مرجع ۳۰۰ یوان است؛ قیمت یک تن آهک زنده ۴۰۰-۱۰۰۰ یوان است و قیمت متوسط مرجع ۷۰۰ یوان است. بنابراین می‌توانیم بدانیم که هزینه استفاده از یک تن اسید هیدروکلریک ۳۰۰ یوان است، هزینه آهک برای تصفیه فاضلاب ۳۵۰ یوان است و هزینه تصفیه فاضلاب از هزینه استفاده از اسید هیدروکلریک فراتر رفته است. برخی از شرکت‌های غیر استاندارد، از یک سو، فاقد تأسیسات تصفیه فاضلاب هستند و از سوی دیگر، تمایلی به تحمل هزینه‌های بالاتر ندارند که منجر به وقوع مکرر حوادث آلودگی ناشی از تخلیه مستقیم اسید زاید می‌شود.

در نهایت، مارکس گفت: "برای ۱۰۰٪ سود، سرمایه جرات می‌کند که تمام قوانین انسانی را زیر پا بگذارد."

ب. نمک‌های کلرید

نمک‌های کلرید رایج، مانند کلرید سدیم، کلرید پتاسیم، کلرید لیتیم، کلرید کلسیم و کلرید منیزیم، می‌توانند برای دوپینگ و تصفیه شن کوارتز استفاده شوند و همچنین می‌توانند برای کلسینه کردن کلرینه و سفید کردن در مواد معدنی غیر فلزی مانند کائولن استفاده شوند.

برخی از متون به کلر زنی و تصفیه شن کوارتز با کلرید آمونیوم، کلرید هیدروژن، کلر یا تتراکلرید کربن اشاره می‌کنند.

2. اسید سولفوریک و سولفات

اسید غیرآلی دوتایی با خاصیت اکسیدکنندگی قوی و نقطه جوش بالا. نقطه جوش اسید سولفوریک غلیظ ۳۳۸ درجه سانتی‌گراد است و تحت شرایط عادی غیر فرار است، بنابراین به اندازه اسید هیدروکلریک در کاربردهایی که نیاز به درمان مه اسیدی دارند، به‌طور گسترده‌ای استفاده نمی‌شود. مزیت نقطه جوش بالا این است که مواد معدنی می‌توانند قبل از گرم شدن به نقطه جوش (مانند حدود ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد) بدون استفاده از مخزن فشار بالا پردازش شوند. چنین شرایطی می‌تواند برخی از مواد معدنی را تجزیه کند که نمی‌توانند توسط اسید هیدروکلریک حل شوند. البته، این وضعیت نیازهای بالایی بر روی مواد و حفاظت ایمنی دارد که در تولید واقعی به ندرت دیده می‌شود، اما بیشتر در آزمایشگاه‌ها مشاهده می‌شود.

برخی از متون به استفاده از نمک‌های اسید سولفوریک و کلسینه کردن شن کوارتز برای کاهش محتوای تیتانیوم شن کوارتز اشاره می‌کنند. درمان با نمک‌های آمونیوم اسید سولفوریک محتوای آهن شن کوارتز را کاهش می‌دهد.

درمان پساب اسیدی اسید سولفوریک و سولفات مشابه پساب اسید هیدروکلریک است که می‌تواند با قلیایی خنثی شود.

3. اسید هیدروفلوئوریک و نمک‌های فلوراید

اسید هیدروفلوئوریک، یک اسید ضعیف مونو اسید، با توانایی فوق‌العاده خود به یک قاتل بزرگ برای تصفیه شن کوارتز تبدیل شده است. تحت شرایط خاص، اسید هیدروفلوئوریک با اکثر مواد معدنی ناخالصی، از جمله شن کوارتز واکنش نشان می‌دهد. بنابراین، زمانی که غلظت اسید هیدروفلوئوریک بیش از حد بالا باشد، باید به از دست رفتن شن کوارتز توجه کرد. اسیدهای مخلوط اسید هیدروفلوئوریک و اسید هیدروکلریک، اسید سولفوریک یا اسید نیتریک معمولاً به عنوان سیستم‌های اسید مخلوط استفاده می‌شوند. در زمینه میدان نفتی، گرافیت، کاربید سیلیکون و سایر مواد معدنی غیر فلزی از سیستم اسید مخلوط حاوی اسید هیدروفلوئوریک استفاده می‌کنند.

نقش نمک‌های فلوراید در سیستم‌های حاوی اسید مشابه نقش اسید هیدروفلوئوریک است. نمک‌های فلوراید همچنین به عنوان دوپانت‌ها استفاده می‌شوند.

مرواریدهای تولید شده توسط تمدن صنعتی انسان از وجود اسید هیدروفلوئوریک جدا نیستند. در صنعت نیمه‌رسانا، اسید هیدروفلوئوریک عمدتاً برای تمیز کردن سطح ویفر یا در فرآیند تمیز کردن و اچ کردن در حین پردازش تراشه استفاده می‌شود. در صنعت خورشیدی، اسید هیدروفلوئوریک در فرآیندهایی مانند تمیز کردن سطح تراشه و اچ کردن استفاده می‌شود. در صنعت پنل، اسید هیدروفلوئوریک برای تمیز کردن زیرلایه‌های شیشه‌ای و اچ کردن نیترید سیلیکون و دی‌اکسید سیلیکون استفاده می‌شود. با این حال، در صنعت شن کوارتز با خلوص بالا، برخی افراد سعی می‌کنند یک راه‌حل "بدون فلور" یا حتی "بدون اسید" پیدا کنند. آیا این علمی است؟

علاوه بر خنثی‌سازی قلیایی، مهم‌ترین نکته در درمان پساب اسید هیدروفلوئوریک کاهش غلظت یون فلوراید به محدوده مجاز استاندارد ملی است. فرآیند کلی درمان پیچیده نیست و شرکت‌های منظم قادر به مدیریت پساب اسید هیدروفلوئوریک هستند. با این حال، برخی از شرکت‌های کوچک و پراکنده فاقد تأسیسات حرفه‌ای درمان پساب هستند و تمایلی به افزایش هزینه درمان ندارند و تخلیه مستقیم پساب باعث آلودگی محیط زیست می‌شود. اگر پساب بدون درمان مستقیماً تخلیه شود، به راحتی می‌تواند باعث شود محتوای فلور در منطقه آبی از استاندارد فراتر رود که این نیز دلیل اصلی تغییر رنگ فلور در برخی مکان‌ها است.

4. فسفات و فسفات

اسید متوسط سه‌گانه قوی، نقطه جوش 261 درجه سانتی‌گراد (تجزیه). اسید فسفریک گرم متمرکز می‌تواند بیشتر مواد معدنی، مانند کرومیت، روتایل، ایلمنیت و غیره را تجزیه کند و همچنین می‌تواند با سیلیس واکنش نشان دهد و هتروپلی‌اسیدها را تشکیل دهد. اسید فسفریک تنها اسیدی است که غیر از اسید هیدروفلوئوریک می‌تواند با کوارتز واکنش نشان دهد.

نمک عادی و نمک اسیدی اسید فسفریک نیز در آزمایش‌های خوردگی مواد کوارتز قابل مشاهده است.

تصفیه فاضلاب اسید فسفریک و فسفات‌ها ابتدا نیاز به خنثی‌سازی با قلیا دارد و سپس غلظت فسفات‌ها باید به محدوده مجاز استاندارد ملی کاهش یابد.

5. اسید نیتریک و نیترات‌ها

اسید نیتریک یک اسید قوی غیرآلی با خواص اکسیدکننده قوی است. برای برخی از ناخالصی‌های معدنی کاهنده، تأثیر سیستم‌های اسیدی متعارف محدود است، برخی واکنش‌ها انجام نمی‌شوند و برخی واکنش‌هایی که از نظر شیمیایی و ترمودینامیکی ممکن هستند، از نظر سینتیکی مانع دارند. در این زمان، اگر یک اکسیدکننده قوی درگیر باشد، واکنش می‌تواند انجام شود و سرعت واکنش به طور قابل توجهی افزایش یابد. و به دلیل اینکه نیترات‌ها معمولاً حلالیت بالاتری دارند، افزودن اسید نیتریک از رسوب محصولات واکنش جلوگیری می‌کند. استفاده ترکیبی از اسید نیتریک و سایر سیستم‌های اسیدی برای درمان شن کوارتز حاوی مواد معدنی کاهنده مناسب است.

نقش نیترات در سیستم‌های حاوی اسید مشابه نقش اسید نیتریک است. نیترات همچنین به عنوان یک دوپانت استفاده می‌شود.

در تصفیه فاضلاب اسید نیتریک و نیترات، علاوه بر خنثی‌سازی با قلیا، باید اقداماتی نیز برای کاهش محتوای نیتروژن آمونیاکی در فاضلاب انجام شود.

ترکیبات آلی

1. اسید اگزالیک

ماده آلی دوتایی قوی است و اسیدیته آن اسید متوسط قوی است که در میان اسیدهای آلی، اسید قوی به حساب می‌آید. اگزالات اثر هماهنگی قوی دارد و یک کلاتور فلزی مؤثر است. در آزمایش حذف آهن از شن کوارتز، استفاده از اسید اگزالیک به تنهایی، یا ترکیب اسید اگزالیک و امواج فراصوت، یا ترکیب اسید اگزالیک و سایر سیستم‌های اسیدی، می‌تواند به اثر بهتری در حذف آهن و سفید کردن منجر شود. همچنین گزارش‌های زیادی وجود دارد که به استفاده از اسید اگزالیک در تصفیه و سفید کردن مواد معدنی غیر فلزی مانند کائولین اشاره می‌کنند. علاوه بر این، مقدار اسید اگزالیک نیازی به اندازه‌ای بزرگ به اندازه اسیدهای غیر آلی سنتی مانند اسید هیدروکلریک ندارد و تنها باید کمتر از ۵٪ باشد تا حداکثر اثر ترشی را به دست آورد. اگزالات با یون‌های کلسیم و منیزیم ترکیب می‌شود و رسوباتی با حلالیت کم تشکیل می‌دهد، بنابراین اسید اگزالیک در برخورد با مواد معدنی با محتوای بالای فلزات قلیایی خاکی محدودیت‌هایی دارد.

در پساب اسید اگزالیک، علاوه بر تأثیر اسید، وجود اگزالات به عنوان یک ماده آلی نیز به طور قابل توجهی تقاضای اکسیژن شیمیایی بدنه آب را افزایش می‌دهد. بنابراین، درمان با آهک راه‌حل ترجیحی است. علاوه بر خنثی‌سازی اسیدیته، اسید اگزالیک همچنین می‌تواند رسوب کند تا محتوای باقی‌مانده اگزالات را به طور قابل توجهی کاهش دهد.

2. اسید سیتریک و سدیم سیترات

اسید سیتریک یک ترکیب اسید تری کربوکسیلیک است و یک اسید آلی مهم به شمار می‌رود. اسید سیتریک از اسید اگزالیک ضعیف‌تر است، اما در میان اسیدهای آلی یک اسید قوی محسوب می‌شود. اسید سیتریک و نمک‌های آن دارای توانایی چلات‌سازی قوی در محدوده اسیدی هستند و می‌توانند بیشتر یون‌های فلزی سه‌ظرفیتی و دوظرفیتی را چلات کنند. محدوده استفاده مناسب pH=4～8 است. چلاتی که توسط اسید سیتریک و یون آهن تشکیل می‌شود، حلالیت پایینی دارد و در آب رسوب می‌کند. به منظور افزایش حلالیت آن، مقدار مناسبی از نمک آمونیوم اضافه می‌شود تا ترکیبی با حلالیت بالاتر تشکیل شود.

بزرگترین مشکل در تصفیه فاضلاب اسید سیتریک و سایر ترکیبات آلی، کاهش نیاز شیمیایی به اکسیژن است. مقدار زیادی ماده آلی به فاضلاب وارد می‌شود که باعث افزایش شدید نیاز شیمیایی به اکسیژن می‌شود. کاهش نیاز شیمیایی به اکسیژن نیاز به تجهیزات و مکان‌های حرفه‌ای دارد، مانند استخرهای اکسیداسیون شیمیایی و استخرهای اکسیداسیون بیولوژیکی، که سرمایه‌گذاری و دشواری پردازش آن‌ها به مراتب بیشتر از تأسیسات خنثی‌سازی اسید-باز است.

3. EDTA (اسید اتیلن دی آمین تترا استیک) و نمک سدیم آن

EDTA و نمک سدیم آن از عوامل کمپلکس کننده مهمی هستند که دارای دامنه وسیعی از خواص هماهنگی بوده و می‌توانند با تقریباً تمام یون‌های فلزی کلات‌های پایداری تشکیل دهند. این ماده در محیط‌های خنثی و قلیایی ضعیف استفاده می‌شود و توانایی خوردگی ضعیفی دارد. این ماده برای حذف مواد معدنی رس و ناخالصی‌های اکسید آهن لایه‌ای مناسب است.

4. سایر عوامل کمپلکس کننده

مانند اسید استیک، اسید سالیسیلیک، اسید پلی فسفریک آلی و غیره، اسیدیته نسبتاً ضعیفی دارند، اما توانایی کمپلکس کردن آن‌ها برجسته است و می‌توانند به عنوان عامل کمپلکس کننده استفاده شوند.

اینکه آیا راه حل بهتری برای درمان شیمیایی شن کوارتز وجود دارد هنوز مشخص نیست. و هر ماده‌ای دارای مزایا و معایب خاص خود است، معمولاً چندین ماده برای دستیابی به بهترین اثر ترکیب می‌شوند. اثر استفاده ترکیبی از مواد مختلف و اینکه آیا رژیم دارویی با هدف درمان مطابقت دارد، همه عواملی هستند که باید هنگام کار با شن کوارتز در نظر گرفته شوند. امیدوارم همه بتوانند با شرایط محلی سازگار شوند و از مناسب‌ترین رژیم دارویی استفاده کنند.