پاکسازی شن کوارتز برای شیشه فتوولتائیک

2025-03-27

فرآیند کلی بهره‌برداری از تصفیه شن کوارتز داخلی از "آسیاب کردن، جداسازی مغناطیسی، شستشو" در مرحله اولیه به "جداسازی → خرد کردن درشت → کلسینه کردن → آب‌گیری → آسیاب کردن → غربالگری → جداسازی مغناطیسی → شناورسازی → شستشوی اسیدی → شستشو → خشک کردن" توسعه یافته است، که با استفاده از مایکروویو، اولتراسونیک و سایر روش‌ها برای پیش‌پردازش یا تصفیه کمکی، اثر تصفیه به‌طور قابل توجهی بهبود یافته است.

با توجه به نیازهای کم آهن شیشه‌های فتوولتائیک، روش‌های حذف آهن از شن کوارتز عمدتاً مورد توجه قرار می‌گیرند.

به طور کلی، آهن در شش شکل رایج زیر وجود دارد:

① به صورت ذرات ریز خاک رس یا فلدسپار کائولینی شده رخ می‌دهد.

به سطح ذرات کوارتز به صورت فیلم اکسید آهن متصل می‌شود.

معدن‌های آهن مانند هماتیت، مگنتیت، اسپکولاریت، تینیت و غیره یا مواد معدنی حاوی آهن مانند میکا، آمفیبول، گارنت و غیره.

④ در حالت منتشر شده یا لنز درون ذرات کوارتز.

⑤در حالت محلول جامد درون بلور کوارتز.

⑥در طی فرآیند خرد کردن و آسیاب کردن مخلوط شده است.

برای جداسازی مؤثر مواد معدنی حاوی آهن از کوارتز، لازم است ابتدا حالت وقوع ناخالصی‌های آهنی در سنگ معدن کوارتز را اثبات کرده و یک روش بهره‌برداری معقول برای حذف ناخالصی‌های آهنی انتخاب شود.

(1) فرآیند جداسازی مغناطیسی

فرآیند جداسازی مغناطیسی می‌تواند حداکثر ناخالصی‌های معدنی مغناطیسی ضعیف مانند هماتیت، لیمونیت و بیوتیت شامل ذرات متصل را حذف کند. بر اساس شدت مغناطیسی، جداسازی مغناطیسی می‌تواند به جداسازی مغناطیسی با شدت بالا و جداسازی مغناطیسی با شدت پایین تقسیم شود، که در آن جداسازی مغناطیسی با شدت بالا معمولاً از جداکننده مغناطیسی با شدت بالا مرطوب یا جداکننده مغناطیسی با گرادیان بالا استفاده می‌کند.

به‌طور کلی، برای شن کوارتز حاوی ناخالصی‌ها که عمدتاً شامل مواد معدنی مغناطیسی ضعیف مانند لیمونیت، هماتیت، بیوتیت و غیره است، می‌توان با استفاده از یک دستگاه مغناطیسی مرطوب بالای 8.0×105A/m انتخاب کرد؛ برای مواد معدنی مغناطیسی قوی که تحت سلطه سنگ آهن هستند، بهتر است از یک دستگاه مغناطیسی ضعیف یا یک دستگاه مغناطیسی متوسط برای جداسازی استفاده شود.

با استفاده از جداکننده مغناطیسی میدان مغناطیسی با گرادیان بالا، تصفیه جداسازی مغناطیسی به‌طور واضحی نسبت به گذشته بهبود یافته است. به‌عنوان مثال، تحت شدت میدان مغناطیسی 2.2T، حذف آهن توسط جداکننده مغناطیسی قوی نوع غلتکی القایی الکترومغناطیسی می‌تواند محتوای Fe2O3 را از 0.002% به 0.0002% کاهش دهد.

(2) فرآیند شناورسازی

شناورسازی فرآیند جداسازی ذرات معدنی بر اساس خواص فیزیکی و شیمیایی مختلف آن‌ها در سطحشان است و عملکرد اصلی آن حذف مواد معدنی مرتبط میکا و فلدسپار از شن کوارتز است. برای جداسازی شناور مواد معدنی حاوی آهن و کوارتز، پیدا کردن شکل وقوع ناخالصی‌های آهنی و شکل توزیع در هر اندازه ذره کلید انتخاب یک فرآیند مناسب برای جداسازی آهن است. بیشتر مواد معدنی حاوی آهن دارای نقطه الکتریکی صفر بالای 5 هستند و در محیط اسیدی بار مثبت دارند. در تئوری، جمع‌آورنده‌های آنیونی مناسب هستند.

اسیدهای چرب (صابون‌ها)، سولفونات‌ها یا سولفات‌های هیدروکربنی می‌توانند به‌عنوان جمع‌آورنده‌های آنیونی برای شناورسازی سنگ‌های اکسید آهن استفاده شوند. برای پیریت، عامل شناور کلاسیک گوگرد ایزوبوتیل زانتات به‌علاوه بوتیل‌آمین سیاه (4:1) است، دوز آن حدود 200ppmw است و پیریت می‌تواند در محیط ترشی از کوارتز شناور شود.

در شناورسازی ایلمنیت، معمولاً از سدیم اولئات (0.21mol/L) به‌عنوان عامل شناور استفاده می‌شود و pH به 4~10 تنظیم می‌شود. یک واکنش شیمیایی بین یون‌های اولئات و ذرات آهن در سطح ایلمنیت رخ می‌دهد که اولئات آهن تولید می‌کند. یون اولئات ایلمنیت را به‌خوبی شناور نگه می‌دارد. جمع‌آورنده‌های اسید فسفریک مبتنی بر هیدروکربن که در سال‌های اخیر توسعه یافته‌اند، انتخاب‌پذیری و عملکرد جمع‌آوری خوبی برای ایلمنیت دارند.

(3) فرآیند شستشوی اسیدی

هدف اصلی فرآیند شستشوی اسیدی حذف مواد معدنی آهنی محلول در محلول اسیدی است. عواملی که بر اثر تصفیه شستشوی اسیدی تأثیر می‌گذارند شامل اندازه ذرات شن کوارتز، دما، زمان شستشو، نوع اسید، غلظت اسید، نسبت جامد-مایع و غیره است. نرخ شستشو می‌تواند با افزایش دما، غلظت و کاهش شعاع ذرات کوارتز بهبود یابد.

اثر تصفیه از یک نوع اسید محدود است و اسیدهای مخلوط اثر هم‌افزایی دارند که می‌تواند به‌طور قابل توجهی نرخ حذف عناصر ناخالصی مانند Fe و K را بهبود بخشد. اسیدهای غیرآلی رایج شامل HF، H2SO4، HCl، HNO3، H3PO4، HClO4 و H2C2O4 هستند و می‌توانیم دو یا چند نوع را در نسبت معین به کار ببریم.

اسید اگزالیک یک اسید آلی است که معمولاً در شستشوی اسیدی استفاده می‌شود. این اسید می‌تواند با یون‌های فلزی حل شده یک کمپلکس نسبتاً پایدار تشکیل دهد و ناخالصی‌ها به راحتی شسته می‌شوند. برخی افراد از تصفیه با اسید اگزالیک به‌کمک اولتراسونیک استفاده کردند و دریافتند که در مقایسه با همزن‌های معمولی و اولتراسونیک‌های مخزنی، اولتراسونیک‌های پروبی بالاترین نرخ حذف آهن را داشتند، دوز اسید اگزالیک کمتر از ۴ گرم در لیتر بود و نرخ حذف آهن به ۷۵.۴٪ رسید.

همزیستی اسید رقیق و اسید هیدروفلوئوریک می‌تواند به طور مؤثری آهن، آلومینیوم، منیزیم و سایر ناخالصی‌های فلزی را حذف کند، اما باید مقدار اسید هیدروفلوئوریک کنترل شود، زیرا این اسید می‌تواند ذرات کوارتز را خورده کند. استفاده از انواع مختلف اسیدها همچنین بر کیفیت تصفیه تأثیر می‌گذارد. در میان آن‌ها، اثر پردازش اسید مخلوط HCl و HF بهترین است. برخی افراد از عامل شستشوی مخلوط HCl و HF برای تصفیه شن کوارتز جدا شده به‌صورت مغناطیسی استفاده می‌کنند. از طریق شستشوی شیمیایی، مقدار کل عناصر ناخالصی 40.71 میکروگرم در گرم و خلوص SiO2 به 99.993 درصد وزنی می‌رسد.

برخی از محققان از باطله‌های کائولین برای تهیه شن کوارتز کم‌ آهن برای شیشه‌های فتوولتائیک استفاده کردند. ترکیب معدنی اصلی باطله‌های کائولین، کوارتز است که مقدار کمی از مواد معدنی ناخالصی مانند کائولینیت، میکا و فلدسپار را شامل می‌شود. پس از پردازش باطله‌های کائولین از طریق فرآیند بهره‌برداری "آسیاب کردن - طبقه‌بندی هیدرولیکی - جداسازی مغناطیسی - شناورسازی"، محتوای اندازه ذرات 0.6~0.125 میلی‌متر بیشتر از 95% است، SiO2 برابر با 99.62%، Al2O3 برابر با 0.065% و Fe2O3 برابر با 92×10-6 است. شن کوارتز پردازش شده، الزامات کیفی شن کوارتز کم‌ آهن برای شیشه‌های فتوولتائیک را برآورده می‌کند.

پتنت تحقیقاتی تجربی برای تصفیه مواد خام کوارتز برای شیشه‌های فتوولتائیک

شائو ویهوا از آکادمی علوم زمین‌شناسی چین، یک اختراع ثبت کرده است: روشی برای تهیه شن کوارتز با خلوص بالا از باطله‌های کائولین.

مراحل روش:

ماده‌های باطله کائولن به عنوان سنگ معدن خام استفاده می‌شوند و پس از هم زدن و شستشو، ماده‌های با اندازه بالای ۰.۶ میلی‌متر به دست می‌آید؛

b. ماده +0.6 میلی‌متر پس از آسیاب شدن درجه‌بندی می‌شود و ماده معدنی 0.4 میلی‌متر-0.1 میلی‌متر تحت عملیات جداسازی مغناطیسی قرار می‌گیرد تا مواد مغناطیسی و غیرمغناطیسی به‌دست آید. مواد غیرمغناطیسی وارد عملیات جداسازی گرانشی می‌شوند تا مواد معدنی سبک و سنگین جداسازی گرانشی به‌دست آید. مواد معدنی سبک جداسازی گرانشی وارد عملیات دوباره آسیاب شدن برای غربالگری می‌شوند و مواد معدنی +0.1 میلی‌متر به‌دست می‌آید؛

c. مواد معدنی +0.1 میلی‌متر وارد عملیات شناورسازی می‌شوند تا کنسانتره شناورسازی به‌دست آید. کنسانتره شناورسازی لایه بالایی آب را حذف کرده و سپس تحت عملیات پیکینگ اولتراسونیک قرار می‌گیرد و سپس الک می‌شود تا مواد درشت +0.1 میلی‌متر به‌عنوان شن کوارتز با خلوص بالا به‌دست آید. روش اختراع نه تنها می‌تواند محصولات کنسانتره کوارتز با کیفیت بالا به‌دست آورد، بلکه زمان پردازش را کوتاه کرده، فرآیند فناوری را ساده کرده و مصرف انرژی را کاهش می‌دهد.

پسماندهای کائولین حاوی مقدار زیادی منابع کوارتز هستند که می‌توانند از طریق فرآوری، نیازهای مواد خام شیشه فوق‌سفید فتوولتائیک را برآورده کنند و همچنین ایده‌های جدیدی برای بازیافت و استفاده از منابع پسماندهای کائولین ارائه می‌دهند.