4 phương pháp điều trị thông thường cho cát thạch anh siêu sạch

2025-03-27

Cát thạch anh có độ tinh khiết cao là cơ sở vật liệu cho sự phát triển của các ngành công nghiệp công nghệ cao, và các lĩnh vực ứng dụng của nó bao gồm sợi quang, quân sự và hàng không vũ trụ. Các lĩnh vực này có yêu cầu cực kỳ nghiêm ngặt về độ tinh khiết của cát thạch anh, đặc biệt là đối với Fe, Al và các tạp chất khác.

Các tạp chất khoáng trong cát thạch anh thường tồn tại dưới dạng khoáng không phải thạch anh như fenspat, mica, garnet, zircon, ilmenit và nhiều loại khác. Những tạp chất này chủ yếu tồn tại theo các hình thức sau:

(1) Như các khoáng chất liên kết lỏng lẻo, chúng không kết hợp hóa học với các tinh thể thạch anh;

(2) Như các mảnh khoáng, được kết hợp hóa học và vật lý với các tinh thể thạch anh trên bề mặt của nó, những tạp chất này chủ yếu là khoáng chất chứa sắt và khoáng chất chứa nhôm;

(3) Khoáng chất được bao bọc bởi các hạt thạch anh hoặc được bao quanh bởi các tinh thể thạch anh kết hợp với nhau;

(4) Như các ion xen kẽ thay thế silicon, những tạp chất này chủ yếu bao gồm: Al3+, Fe2+, Fe3+, B3+, Ti4+, Ge4+, P5+, v.v. Các ion này thay thế Si4+ để tạo thành các liên kết cộng hóa trị. Khi điều này xảy ra, thường có kèm theo việc doping các nguyên tố như Li1+, K1+, Na1+, và H1+ để duy trì tính trung tính điện của mạng SiO2. Nguyên tố Al là một trong những nguyên tố tạp chất chính trong quặng thạch anh, và Al3+ và Si4+ có bán kính tương tự, có thể dễ dàng thay thế Si4+, và hàm lượng của nó thường lên tới hàng nghìn ppm. Do đó, hàm lượng Al là một chỉ số quan trọng về chất lượng của quặng thạch anh.

Hiện tại, quy trình tinh chế cát thạch anh có độ tinh khiết cao chủ yếu bao gồm nghiền cơ học, tách từ tính, nổi, hòa tẩy axit, v.v., có thể hiệu quả loại bỏ các tạp chất ion kim loại trong mạng thạch anh.

1. Nghiền cơ học

Nghiền cơ học là một phương pháp sử dụng lực cơ học để giảm kích thước hạt của các khoáng chất. Trong quy trình tinh chế cát thạch anh có độ tinh khiết cao, quy trình này chủ yếu nhằm tách các tạp chất phi cấu trúc trong các khoáng thạch anh ra khỏi thạch anh. Tạp chất phi cấu trúc ám chỉ đến các tạp chất khoáng (tạp chất khoáng) và các tạp chất khí-lỏng (tạp chất chất lỏng). Các tạp chất tồn tại ở biên giới hạt thạch anh. Sau khi các khoáng thạch anh nguyên gốc bị nghiền nát, kích thước hạt giảm và diện tích bề mặt riêng tăng lên, do đó các tạp chất giữa các biên giới hạt được phơi bày trên bề mặt ngoài của các hạt thạch anh, từ đó cải thiện hiệu quả tinh chế của quy trình tiếp theo.

Trong quy trình nghiền cơ học, do tính chất tương đối cứng của các khoáng thạch anh, việc tiếp xúc và ma sát thường xuyên với thiết bị chắc chắn sẽ giới thiệu các tạp chất và gây ô nhiễm.

Các khoáng vật thạch anh đã được nghiền siêu mịn thông qua quy trình nghiền bi gốm ướt, và kích thước hạt của các hạt thạch anh phân tán đã được kiểm tra. Bề mặt xung quanh được thụ động hóa, và sự hình cầu rõ rệt được cải thiện; thạch anh được tinh chế bằng cách rửa nước và ngâm axit, và độ trắng của thạch anh thu được rõ rệt được cải thiện, điều này có giá trị tham khảo nhất định cho nghiên cứu về phát triển và ứng dụng thạch anh.

2. Tách từ tính

Trong quá trình tinh chế thạch anh cao cấp, mục đích của tách từ tính là loại bỏ một số khoáng vật từ tính, chẳng hạn như ilmenite từ tính, pyrit, limonite và garnet, trong các tạp chất của quặng thạch anh từ tính, điều này có hiệu quả tốt trong việc loại bỏ và tách các tạp chất từ tính như sắt và titan trong quặng thạch anh thô.

Sức mạnh từ trường của máy tách từ có thể được điều chỉnh, cũng được gọi là tách từ tính theo gradient, sử dụng từ tính yếu để loại bỏ magnetite, và sử dụng từ tính mạnh để loại bỏ các khoáng vật từ tính như ilmenite, limonite, hematite và garnet. Đối với các tạp chất khoáng nặng (khoáng vật mảnh đất có trọng lượng riêng lớn hơn 2.86, chẳng hạn như zircon, epidote, garnet, v.v.) tồn tại trong quặng thạch anh gốc, các phương pháp như tách trọng lực và tách từ tính cường độ cao thường được sử dụng. Thông thường, các khoáng vật thạch anh sẽ được chà rửa sau khi tách từ tính, điều này sẽ cải thiện độ tinh khiết và độ trắng của cát thạch anh.

3. Tuyển nổi

Tuyển nổi là sự tách biệt chọn lọc các chất kỵ nước và các chất ưa nước dựa trên sự khác biệt về khả năng ướt của bề mặt quặng, có thể là tự nhiên hoặc sau khi biến đổi. Trong quá trình tinh chế thạch anh cao cấp, tuyển nổi chủ yếu được sử dụng để loại bỏ mica và khoáng vật feldspar đồng hành với thạch anh, và nó cũng có thể tách các khoáng vật chứa phốt pho và sắt.

Tùy theo các hóa chất khác nhau được sử dụng, tuyển nổi cát thạch anh có thể được chia thành tuyển nổi cát thạch anh chứa fluor và tuyển nổi cát thạch anh không chứa fluor. Tuyển nổi cát thạch anh chứa fluor sử dụng các tác nhân chứa fluor, chẳng hạn như axit hydrofluoric (HF) làm chất kích hoạt feldspar, và axit sulfuric làm chất biến đổi, để dưới điều kiện axit mạnh với pH=2-3, dodecylamine được sử dụng làm chất thu gom, và feldspar đã được kích hoạt được hấp phụ trước và sau đó được tách ra. Tương tự, tuyển nổi thạch anh không chứa fluor là sử dụng axit sulfuric hoặc axit clohidric làm chất kích hoạt cho các khoáng vật tạp chất trong thạch anh mà không sử dụng các tác nhân chứa fluor, và sau đó sử dụng chất thu gom tương ứng để tuyển nổi và tách thạch anh và các khoáng vật tạp chất. Ngoài ra, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng hiệu quả tuyển nổi của các chất thu gom hỗn hợp tốt hơn so với các chất thu gom đơn và tương đối tiết kiệm chi phí.

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện tuyển nổi ngược của bùn cát thạch anh mạch để chuẩn bị cát thạch anh cao cấp, và sử dụng các chất thu gom hỗn hợp để tinh chế cát thạch anh kết hợp thô-fine để đạt được sản phẩm thạch anh cấp 4N. Lượng chất tạo bọt dầu 2# là 75g/t, cát thạch anh được axit hóa bằng axit sulfuric trong quá trình lựa chọn thô, và propylene diamine được sử dụng làm chất thu gom; Liều lượng là 1:4. Trong kết quả thử nghiệm, lượng tạp chất bị loại bỏ chiếm hơn 50%, tổng lượng tạp chất là 99.01 μg/g, và tỷ lệ loại bỏ của các nguyên tố Al và Fe lần lượt đạt 37.50% và 84.15%.

4.Chiết xuất bằng axit

Rửa axit là một phương pháp tinh chế thạch anh dựa trên độ tan khác nhau của thạch anh, mica và fenspat trong dung dịch acid. Rửa axit có thể loại bỏ hiệu quả lớp ôxít trên bề mặt và quặng sắt. Đối với tạp chất khoáng như mica và fenspat, thường sử dụng axit flohidric để hòa tan. Các môi trường axit thường được sử dụng cho quá trình rửa axit bao gồm axit clohidric, axit sulfuric, axit nitric, axit acetic và axit flohidric. Trong số đó, axit loãng có hiệu quả hơn trong việc loại bỏ Al và Fe, trong khi axit sulfuric nồng độ cao, nước cường toan và axit flohidric được sử dụng để loại bỏ Cr và Ti.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự đồng tồn tại của axit loãng và axit hydrofluoric có thể loại bỏ hiệu quả các tạp chất kim loại như Fe, Al, Mg và các tạp chất khác, nhưng cần kiểm soát lượng axit hydrofluoric vì axit này có thể ăn mòn các hạt thạch anh. Việc sử dụng các loại axit khác nhau cũng ảnh hưởng đến chất lượng tẩy rửa và chế biến. Trong số đó, hiệu quả chế biến của axit hỗn hợp HCl và HF là tốt nhất.

Phòng thí nghiệm đã sử dụng dung dịch leaching hỗn hợp HCl và HF để tinh chế cát thạch anh sau quá trình tách từ. Qua leaching hóa học, tổng lượng nguyên tố tạp chất là 40.71μg/g, và độ tinh khiết của SiO2 đạt tới 99.993wt%.

Bản chất của leaching axit là sự tương tác giữa dung dịch axit và khoáng chất tạp chất. Do đó, trong quá trình leaching axit, nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng và hiệu quả tinh chế cuối cùng. Phòng thí nghiệm đã sử dụng axit clohidric và axit oxalic làm chất leaching hỗn hợp để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian và nồng độ leaching axit đối với hiệu quả tinh chế thạch anh, và cuối cùng xác định nhiệt độ leaching axit là 60 °C, thời gian leaching axit là 8 giờ, nồng độ axit oxalic là 10 g/L, và nồng độ HCl là 5%, tỷ lệ chất lỏng-chất rắn là 1:5, và tốc độ khuấy là 500 vòng/phút là điều kiện tốt nhất cho leaching axit. Kết quả cho thấy việc loại bỏ sắt chiếm 50%.

Leaching ở nhiệt độ cao và áp suất cao

Đây là một công nghệ luyện kim thủy thật sự khá trưởng thành trong xử lý quặng kim loại. Công nghệ này có thể giảm hiệu quả tiêu thụ axit nhờ vào nhiệt độ và áp suất cao. Áp suất cao được cung cấp bởi môi trường kín của bể phản ứng được cấu thành từ lớp áo bằng thép không gỉ và lớp lót Teflon. Công nghệ này có thể loại bỏ các sinh vật cộng sinh và tạp chất một cách hiệu quả hơn, hiệu quả tinh chế của những quặng khó xử lý tốt hơn so với phương pháp tách từ và tuyển nổi.