고순도 규산 모래를 위한 4가지 일반적인 처리 방법

2025-03-27

고순도 석영 모래는 첨단 산업 발전의 물질적 기초이며, 그 응용 분야는 광섬유, 군사 및 항공 우주 산업을 포함합니다. 이들 분야는 석영 모래의 순도, 특히 Fe, Al 및 기타 불순물에 대해 극히 엄격한 요구 사항을 가지고 있습니다.

석영 모래의 광물 불순물은 일반적으로 장석, 운모, 석류석, 지르콘, 일멘나이트와 같은 비석영 광물의 형태로 존재합니다. 이러한 불순물은 주로 다음과 같은 방식으로 존재합니다:

(1) 느슨하게 연결된 광물로, 석영 결정과 화학적으로 결합하지 않습니다;

(2) 광물 조각으로, 석영 결정 표면에 화학적 및 물리적으로 결합하며, 이러한 불순물은 주로 철 함유 광물과 알루미늄 함유 광물입니다;

(3) 석영 입자에 의해 감싸여 있거나 서로 결합된 석영 결정으로 둘러싸인 광물;

(4) 실리콘을 대체하는 간섭 이온으로, 이러한 불순물에는 주로 Al3+, Fe2+, Fe3+, B3+, Ti4+, Ge4+, P5+ 등이 포함됩니다. 이러한 이온은 Si4+를 대체하여 공유 결합을 형성합니다. 이때 일반적으로 Li1+, K1+, Na1+, H1+와 같은 원소의 도핑이 수반되어 SiO2 격자의 전기적 중성을 유지합니다. Al 원소는 석영 광석의 주요 불순물 원소 중 하나이며, Al3+와 Si4+는 유사한 반경을 가지고 있어 쉽게 Si4+를 대체할 수 있으며, 그 함량은 보통 수천 ppm에 달합니다. 따라서 Al 함량은 석영 광석 품질의 중요한 지표입니다.

현재 고순도 석영 모래의 정제 공정은 주로 기계적 분쇄, 자기 분리, 플로타이션, 산 세척 등을 포함하며, 이는 석영 격자 내의 금속 이온 불순물을 효과적으로 제거할 수 있습니다.

1.기계적 분쇄

기계적 분쇄는 기계적 힘을 사용하여 광물의 입자 크기를 줄이는 방법입니다. 고순도 석영의 정제 과정에서 이 과정은 주로 석영 미네랄에서 비구조적 불순물을 분리하는 데 초점을 맞춥니다. 비구조적 불순물은 광물 포함물(광물 불순물)과 기체-액체 포함물(유동 포함물)을 의미합니다. 불순물은 석영 입자 경계에 존재합니다. 원래의 석영 광물이 분쇄된 후, 입자 크기가 줄어들고 비표면적이 증가하여 입자 경계의 불순물이 석영 입자의 외부 표면에 노출되어 이후 공정의 정제 효율이 향상됩니다.

기계 분쇄 과정에서 석영 광물의 상대적으로 단단한 특성으로 인해 장비와의 빈번한 접촉 및 마찰은 불가피하게 불순물을 도입하고 오염을 초래할 것입니다.

석영 광물은 습식 세라믹 볼 밀링 공정을 통해 초미세하게 분쇄되었고, 분산된 석영 입자의 입도 크기가 테스트되었습니다. 주변 표면은 수동화되며 구형성이 명백히 증가하였고, 석영은 세척 및 산 침출을 통해 정제되었으며, 얻어진 석영의 백색도가 눈에 띄게 개선되어 석영의 개발 및 응용에 대한 연구에 일정한 참고 가치를 제공합니다.

2. 자력 분리

고순도 석영의 정제 과정에서 자력 분리의 목적은 자성 석영 광석의 포함물에서 자성 미네랄, 예를 들어 자성 일멘나이트, 황철광, 림나이트 및 석류석을 제거하는 것으로, 원석영의 철 및 티타늄과 같은 자성 불순물의 제거 및 분리에 좋은 효과를 줍니다.

자력 분리기의 자기장 강도는 조정할 수 있으며, 이를 경량 자력 분리라고도 하며, 약한 자력을 이용해 마그네타이트를 제거하고 강한 자력을 이용해 일멘나이트, 림나이트, 적철광 및 석류석과 같은 자성 미네랄을 제거합니다. 원석영에 존재하는 중량 미네랄 불순물(비중이 2.86 이상의 원피식 동조 석영 무기물, 예: 지르콘, 에피도타이트, 석류석 등)을 위해서는 일반적으로 중력 분리와 고강도 자력 분리와 같은 방법이 사용됩니다. 보통 자력 분리 후 석영 미네랄은 문지름 과정을 거치며, 이는 석영 모래의 순도와 백도를 향상시킵니다.

3.부유

부유 선택은 광물 표면의 습윤성 차이에 따라 친수성과 소수성 물질을 선택적으로 분리하는 과정으로, 자연적으로 또는 변형 후에 이루어질 수 있습니다. 고순도 석영의 정제 과정에서 부유 선택은 주로 석영과 함께 존재하는 운모 및 장석 미네랄을 제거하는 데 사용되며, 또한 인 및 철을 포함하는 미네랄도 부유할 수 있습니다.

사용되는 다른 시약에 따라 석영 모래 부유 선택은 플루오르 석영 모래 부유 선택과 플루오르 없는 석영 모래 부유 선택으로 나눌 수 있습니다. 플루오르 석영 모래 부유 선택에는 플루오르 함유제가 사용되며, 예를 들어 플루오르산(HF)을 장석 활성제로, 황산을 변형제로 사용하여 pH=2-3의 강산 조건에서 수집제로 사용되는 도데실아민과 함께 활성화된 장석이 미리 흡착된 후 분리됩니다. 마찬가지로, 플루오르 없는 석영 부유는 플루오르 함유제를 사용하지 않고 석영에서 불순물 미네랄의 활성제로 황산 또는 염산을 사용한 후, 해당 수집제를 이용해 석영 및 불순물 미네랄을 부유하고 분리합니다. 또한 일부 연구에서는 혼합 수집제의 부유 효과가 단일 수집제보다 좋고 상대적으로 비용 효율적임을 보여주었습니다.

일부 연구자들은 고순도 석영 모래를 준비하기 위해 맥상 석영 모래 슬러리의 역부유를 실시하고, 혼합 수집제를 사용하여 미세-거친 결합 석영 모래를 정제하여 4N급 석영 제품을 얻었습니다. 발포제 2# 오일의 양은 75g/t이고, 석영 모래는 조선 작업 중 황산으로 산성화되며, 프로필렌디아민이 수집제로 사용됩니다; 비율은 1:4입니다. 실험 결과, 불순물 제거율은 50% 이상이며, 불순물 총량은 99.01 μg/g, 원소 Al 및 Fe의 제거율은 각각 37.50% 및 84.15%에 도달했습니다.

4. 산 침출

산성 침출은 석영, 운모, 장석의 산성 용액 내 용해도 차이에 따라 석영을 정제하는 방법입니다. 산성 침출은 표면의 산화막과 철광석을 효과적으로 제거할 수 있습니다. 운모나 장석과 같은 광물 불순물의 경우, 일반적으로 불산을 사용하여 용해합니다. 산성 침출에 일반적으로 사용되는 산성 매체로는 염산, 황산, 질산, 아세트산, 불산 등이 있습니다. 그중 묽은 산은 Al과 Fe 제거에 더 효과적이며, 산성도가 더 높은 진한 황산, 왕수, 불산은 Cr과 Ti 제거에 사용됩니다.

연구에 따르면 희석 산과 플루오르화 수소의 공존은 Fe, Al, Mg 및 기타 금속 불순물을 효과적으로 제거할 수 있지만, 플루오르화 수소는 석영 입자를 부식할 수 있기 때문에 그 양은 조절되어야 합니다. 다양한 종류의 산을 사용하는 것도 정제 및 처리의 품질에 영향을 미칩니다. 그 중 HCl과 HF 혼합 산의 처리 효과가 가장 우수합니다.

실험실에서는 자력 분리 후 석영 모래를 정제하기 위해 HCl과 HF 혼합 침출제를 사용했습니다. 화학 침출을 통해 불순물 원소의 총량이 40.71μg/g이고, SiO2의 순도는 99.993wt%에 달합니다.

산 침출의 본질은 산 용액과 불순물 광물 간의 상호작용입니다. 따라서 산 침출 과정에서 온도는 반응 속도와 최종 정제 효과에 큰 영향을 미칩니다. 연구진은 염산과 옥살산을 혼합 침출제로 사용하여 산 침출 온도, 시간 및 농도가 석영 정제 효과에 미치는 영향을 연구했으며, 최종적으로 60 °C의 산 침출 온도, 8시간의 산 침출 시간, 10 g/L의 옥살산 농도, 5%의 HCl 농도, 액체-고체 비율 1:5, 500 rpm의 교반 속도가 최적 조건으로 결정되었습니다. 결과는 철 제거가 50%를 차지함을 보여줍니다.

고온 고압 침출

금속 광석 처리에서 상대적으로 성숙한 수화학 기술입니다. 이 기술은 고온과 고압으로 산 소비를 효과적으로 줄일 수 있습니다. 고압은 스테인리스 스틸 재킷과 테플론 라이너로 구성된 밀폐된 탱크 반응기 환경에서 제공됩니다. 이는 공생체 및 포함물을 보다 효과적으로 제거할 수 있으며, 고집스러운 광석의 정제 효과가 자력 분리 및 부유보다 더 우수합니다.