4 วิธีการรักษาทั่วไปสำหรับทรายควอตซ์บริสุทธิ์สูง

2025-03-27

ทรายควอตซ์บริสุทธิ์สูงเป็นฐานวัสดุสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมเทคโนโลยีสูง และสาขาการใช้งานของมันเกี่ยวข้องกับเส้นใยแสง, การทหาร และอุตสาหกรรมอวกาศ สาขาเหล่านี้มีข้อกำหนดที่เข้มงวดมากเกี่ยวกับความบริสุทธิ์ของทรายควอตซ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับ Fe, Al และสิ่งเจือปนอื่น ๆ.

สิ่งเจือปนแร่ในทรายควอตซ์มักมีอยู่ในรูปแบบของแร่ที่ไม่ใช่ควอตซ์ เช่น เฟลด์สปาร์, ไมก้า, การ์เนต, เซอร์โคเนียม, อิลเมไนต์ และอื่น ๆ สิ่งเจือปนเหล่านี้มักมีอยู่ในลักษณะต่อไปนี้:

(1) เป็นแร่ที่เกี่ยวข้องหลวม ๆ ซึ่งไม่ได้รวมกันทางเคมีด้วยผลึกควอตซ์;

(2) เป็นชิ้นส่วนแร่ที่รวมกันทางเคมีและทางกายภาพกับผลึกควอตซ์บนพื้นผิวของมัน สิ่งเจือปนเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นแร่ที่มีเหล็กและแร่ที่มีอลูมิเนียม;

(3) แร่ที่ถูกห่อหุ้มโดยอนุภาคควอตซ์หรือถูกล้อมรอบด้วยผลึกควอตซ์ที่รวมกัน;

(4) เป็นไอออนที่อยู่ระหว่างช่องว่างเพื่อแทนที่ซิลิกอน สิ่งเจือปนเหล่านี้รวมถึง: Al3+, Fe2+, Fe3+, B3+, Ti4+, Ge4+, P5+ เป็นต้น ไอออนเหล่านี้แทนที่ Si4+ เพื่อสร้างพันธะโควาเลนต์ เมื่อเกิดเหตุการณ์นี้ มักจะมีการดอปปิ้งของธาตุเช่น Li1+, K1+, Na1+, และ H1+ เพื่อรักษาความเป็นกลางทางไฟฟ้าของตาข่าย SiO2 ธาตุ Al เป็นหนึ่งในธาตุเจือปนหลักในแร่ควอตซ์ และ Al3+ และ Si4+ มีรัศมีที่คล้ายกัน ซึ่งสามารถแทนที่ Si4+ ได้ง่าย และปริมาณของมันมักสูงถึงหลายพัน ppm ดังนั้น ปริมาณ Al จึงเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของคุณภาพของแร่ควอตซ์.

ในปัจจุบัน กระบวนการทำให้บริสุทธิ์ของทรายควอตซ์บริสุทธิ์สูงหลัก ๆ ประกอบด้วยการบดด้วยเครื่องจักร การแยกด้วยแม่เหล็ก การลอยตัว การกัดกร่อนด้วยกรด เป็นต้น ซึ่งสามารถกำจัดสิ่งเจือปนไอออนโลหะในตาข่ายควอตซ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

1. การบดเชิงกล

การบดด้วยกลไกเป็นวิธีการที่ใช้แรงกลไกเพื่อลดขนาดอนุภาคของแร่ธาตุ ในกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ของควอตซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูง กระบวนการนี้มีจุดมุ่งหมายหลักเพื่อแยกสิ่งเจือปนที่ไม่เป็นโครงสร้างในแร่ควอตซ์ออกจากควอตซ์ สิ่งเจือปนที่ไม่เป็นโครงสร้างหมายถึงการรวมตัวของแร่ (สิ่งเจือปนจากแร่) และการรวมตัวของก๊าซ-ของเหลว (การรวมตัวของของเหลว) สิ่งเจือปนมีอยู่ในขอบเขตของเม็ดควอตซ์ หลังจากที่แร่ควอตซ์ดั้งเดิมถูกบดแล้ว ขนาดอนุภาคจะลดลงและพื้นที่ผิวเฉพาะจะเพิ่มขึ้น ทำให้สิ่งเจือปนระหว่างขอบเขตของเม็ดถูกเปิดเผยบนพื้นผิวภายนอกของอนุภาคควอตซ์ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำให้บริสุทธิ์ในกระบวนการถัดไป

ในกระบวนการบดด้วยเครื่องจักร เนื่องจากธรรมชาติที่ค่อนข้างแข็งของแร่ควอตซ์ การสัมผัสและการเสียดสีบ่อยครั้งกับอุปกรณ์จะนำไปสู่การแนะนำสิ่งเจือปนและทำให้เกิดมลพิษอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

แร่ควอตซ์ถูกบดละเอียดอย่างมากโดยกระบวนการบดลูกเซรามิกแบบเปียก และขนาดอนุภาคของอนุภาคควอตซ์ที่กระจายอยู่ได้รับการทดสอบ ผิวรอบข้างถูกทำให้เป็นพาสซีฟ และความกลมของอนุภาคเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด; และควอตซ์ถูกทำให้บริสุทธิ์โดยการล้างด้วยน้ำและการกัดกร่อนด้วยกรด และความขาวของควอตซ์ที่ได้มีการปรับปรุงอย่างเห็นได้ชัด ซึ่งมีค่าอ้างอิงบางอย่างสำหรับการวิจัยเกี่ยวกับการพัฒนาและการประยุกต์ใช้ควอตซ์

2. การแยกด้วยแม่เหล็ก

ในกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ของควอตซ์บริสุทธิ์สูง วัตถุประสงค์ของการแยกแม่เหล็กคือการกำจัดแร่ธาตุแม่เหล็กบางชนิด เช่น อิลเมไนต์แม่เหล็ก ไพไรต์ ลิโมไนต์ และการ์เนต ที่มีอยู่ในควอตซ์แร่แม่เหล็ก ซึ่งมีผลดีต่อการกำจัดและแยกสิ่งเจือปนแม่เหล็ก เช่น เหล็กและไทเทเนียมในควอตซ์ดิบ

ความเข้มของสนามแม่เหล็กของเครื่องแยกแม่เหล็กสามารถปรับได้ ซึ่งเรียกว่า การแยกแม่เหล็กแบบเกรเดียนต์ ใช้แม่เหล็กอ่อนในการกำจัดแม่เหล็กไทต์ และใช้แม่เหล็กแรงในการกำจัดแร่ธาตุแม่เหล็ก เช่น อิลเมไนต์ ลิโมไนต์ เฮมาไทต์ และการ์เนต สำหรับสิ่งเจือปนแร่ธาตุหนัก (แร่ธาตุคลาสติกรูปแบบที่มีความหนาแน่นมากกว่า 2.86 เช่น เซอร์โคเนียม เอพิโดต การ์เนต ฯลฯ) ที่มีอยู่ในควอตซ์ดิบ มักจะใช้วิธีการแยกด้วยแรงโน้มถ่วงและการแยกแม่เหล็กที่มีความเข้มสูง โดยทั่วไปแล้ว แร่ควอตซ์จะถูก ขัด หลังจากการแยกแม่เหล็ก ซึ่งจะช่วยเพิ่มความบริสุทธิ์และความขาวของทรายควอตซ์

3. การลอยตัว

การลอยตัวคือการแยกสารที่มีความชอบน้ำและไม่ชอบน้ำตามความแตกต่างของความชื้นของพื้นผิวแร่ ไม่ว่าจะเป็นตามธรรมชาติหรือหลังจากการปรับเปลี่ยน ในกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ของควอตซ์บริสุทธิ์สูง การลอยตัวจะใช้เพื่อกำจัดไมก้าและแร่เฟลด์สปาร์ที่อยู่ร่วมกับควอตซ์ และยังสามารถลอยตัวแร่ธาตุที่มีฟอสฟอรัสและเหล็กได้

ตามสารเคมีที่ใช้ การลอยตัวของทรายควอตซ์สามารถแบ่งออกเป็นการลอยตัวของทรายควอตซ์ฟลูออรีนและการลอยตัวของทรายควอตซ์ที่ไม่มีฟลูออรีน การลอยตัวของทรายควอตซ์ฟลูออรีนใช้สารที่มีฟลูออรีน เช่น กรดไฮโดรฟลูออริก (HF) เป็นตัวกระตุ้นเฟลด์สปาร์ และกรดซัลฟูริกเป็นตัวปรับเปลี่ยน เพื่อให้ภายใต้สภาวะกรดที่เข้มข้นที่ pH=2-3 โดเดซิลามีนที่ใช้เป็นตัวเก็บรวบรวม และเฟลด์สปาร์ที่ถูกกระตุ้นจะถูกดูดซับล่วงหน้าและจากนั้นแยกออกไป ในทำนองเดียวกัน การลอยตัวควอตซ์ที่ไม่มีฟลูออรีนคือการใช้กรดซัลฟูริกหรือกรดไฮโดรคลอริกเป็นตัวกระตุ้นของแร่ธาตุเจือปนในควอตซ์โดยไม่ใช้สารที่มีฟลูออรีน และจากนั้นใช้ตัวเก็บรวบรวมที่เหมาะสมในการลอยตัวและแยกควอตซ์และแร่ธาตุเจือปน นอกจากนี้ การศึกษาบางชิ้นแสดงให้เห็นว่าผลลัพธ์การลอยตัวของตัวเก็บรวบรวมผสมดีกว่าตัวเก็บรวบรวมเดี่ยวและมีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ

นักวิจัยบางคนได้ทำการลอยตัวย้อนกลับของสารละลายทรายควอตซ์เพื่อเตรียมทรายควอตซ์บริสุทธิ์สูง และใช้ตัวเก็บรวบรวมผสมในการทำให้บริสุทธิ์ทรายควอตซ์ที่มีขนาดละเอียด-หยาบเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ควอตซ์เกรด 4N ปริมาณสารฟอง 2# น้ำมันคือ 75g/t ทรายควอตซ์ถูกทำให้เป็นกรดด้วยกรดซัลฟูริกในระหว่างการคัดเลือกหยาบ และโพรพิลีนไดอามีนถูกใช้เป็นตัวเก็บรวบรวม; ปริมาณคือ 1:4 ในผลการทดลอง การกำจัดสิ่งเจือปนคิดเป็นมากกว่า 50% ปริมาณรวมของสิ่งเจือปนคือ 99.01 μg/g และอัตราการกำจัดของอลูมิเนียมและเหล็กอยู่ที่ 37.50% และ 84.15% ตามลำดับ

4. การล้างกรด

การล้างกรดเป็นวิธีการทำให้บริสุทธิ์ของควอตซ์ตามความสามารถในการละลายที่แตกต่างกันของควอตซ์ ไมก้า และเฟลด์สปาร์ในสารละลายกรด การล้างกรดสามารถกำจัดฟิล์มออกไซด์บนพื้นผิวและแร่เหล็กได้อย่างมีประสิทธิภาพ สำหรับสิ่งเจือปนแร่ธาตุ เช่น ไมก้าและเฟลด์สปาร์ มักจะใช้กรดไฮโดรฟลูออริกในการละลาย สื่อกรดที่ใช้ทั่วไปสำหรับการล้างกรดรวมถึงกรดไฮโดรคลอริก กรดซัลฟูริก กรดไนตริก กรดอะซิติก และกรดไฮโดรฟลูออริก ในจำนวนนี้ กรดเจือจางมีผลดีกว่าในการกำจัดอลูมิเนียมและเหล็ก และกรดซัลฟูริกที่เข้มข้นมากขึ้น กรดอควาเรจิและกรดไฮโดรฟลูออริกจะถูกใช้ในการกำจัดโครเมียมและไทเทเนียม

การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการอยู่ร่วมกันของกรดเจือจางและกรดไฮโดรฟลูออริกสามารถกำจัดสิ่งปนเปื้อนโลหะ เช่น เหล็ก อลูมิเนียม แมกนีเซียม และอื่นๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ควรควบคุมปริมาณกรดไฮโดรฟลูออริกเพราะกรดไฮโดรฟลูออริกสามารถกัดกร่อนอนุภาคควอตซ์ได้ การใช้กรดชนิดต่างๆ ยังมีผลต่อคุณภาพของการทำให้บริสุทธิ์และการประมวลผล โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ผลกระทบจากการประมวลผลของกรด HCl และกรด HF ที่ผสมกันดีที่สุด

ห้องปฏิบัติการใช้สารละลาย HCl และ HF ผสมเพื่อทำการชะล้างและทำให้บริสุทธิ์ทรายควอตซ์หลังจากการแยกด้วยแม่เหล็ก ผ่านการชะล้างทางเคมี ปริมาณรวมของธาตุสิ่งเจือปนอยู่ที่ 40.71μg/g และความบริสุทธิ์ของ SiO2 สูงถึง 99.993wt%

แก่นของการชะล้างด้วยกรดคือการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างสารละลายกรดและแร่ธาตุสิ่งเจือปน ดังนั้นในกระบวนการชะล้างด้วยกรด อุณหภูมิจะมีอิทธิพลอย่างมากต่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาและผลการทำให้บริสุทธิ์ในที่สุด ห้องปฏิบัติการใช้กรดไฮโดรคลอริกและกรดออกซาลิกเป็นสารละลายชะล้างผสมเพื่อศึกษาผลของอุณหภูมิ เวลา และความเข้มข้นของการชะล้างด้วยกรดต่อผลการทำให้บริสุทธิ์ของควอตซ์ และในที่สุดกำหนดอุณหภูมิการชะล้างด้วยกรดที่ 60 °C เวลาในการชะล้างด้วยกรด 8 ชั่วโมง ความเข้มข้นของกรดออกซาลิก 10 g/L และความเข้มข้นของ HCl 5% อัตราส่วนของของเหลวต่อของแข็ง 1:5 และความเร็วในการกวน 500 rpm เป็นเงื่อนไขที่ดีที่สุดสำหรับการชะล้างด้วยกรด ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าการกำจัดเหล็กคิดเป็น 50%

การชะล้างที่อุณหภูมิสูงและความดันสูง

เป็นเทคโนโลยีการแปรรูปโลหะที่ค่อนข้างมีความก้าวหน้าในกระบวนการแร่โลหะ เทคโนโลยีนี้สามารถลดการใช้กรดได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้ความร้อนและความดันสูง ความดันสูงจะถูกสร้างขึ้นจากสภาพแวดล้อมที่ปิดของถังปฏิกิริยาที่ประกอบด้วยแจ็คเก็ตสแตนเลสและลิเนอร์เทฟลอน มันสามารถกำจัดสิ่งมีชีวิตร่วมและการรวมตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งผลการทำให้บริสุทธิ์ของแร่ที่ดื้อรั้นดีกว่าการแยกด้วยแม่เหล็กและการลอยตัว