يُعدّ الكوارتز عالي النقاء مادة معدنية غير فلزية بالغة الأهمية وذات طلب عالٍ. يتميز بخصائص مقاومة درجات الحرارة العالية، ومقاومة التآكل، والاستقرار الحراري، والعزل. ويُستخدم على نطاق واسع في مصادر الإضاءة الكهربائية المتطورة، والدوائر المتكاملة واسعة النطاق وفائقة الكبر، والخلايا الكهروضوئية الشمسية، والألياف البصرية، وصناعات الطيران والفضاء، والصناعات العسكرية. ونظرًا للأهمية الاستراتيجية لهذه القطاعات في التنمية الوطنية طويلة الأجل، يُصنّف الكوارتز عالي النقاء كمادة عالية التقنية تخضع لحماية صارمة من قِبل الحكومات في جميع أنحاء العالم. وفي عام 2010، أدرجه الاتحاد الأوروبي ضمن قائمة المواد الخام الحيوية. حاليًا، لا يتجاوز عدد الشركات القادرة على إنتاجه بكميات حقيقية أصابع اليد على مستوى العالم.
الجدول 1: سوق تطبيقات الكوارتز عالي النقاء
| النقاء (محتوى SiO₂) | >99.99% | >99.997% | >99.999% |
|---|---|---|---|
| المنتجات الرئيسية | أنابيب مصابيح ذات درجة حرارة عالية، أنابيب السيليكا المنصهرة، زجاج الكوارتز، مسحوق السيليكا، الأجهزة البصرية، زجاج الكوارتز البصري الخاص، إلخ. | بوتقات السيليكون أحادية البلورة، وبوتقات السيليكون متعددة البلورات، وزجاج الكوارتز عالي الجودة ومنتجاته، والألياف البصرية والمكونات الكهروضوئية ذات الصلة، إلخ. | بوتقات تشوخرالسكي (CZ)، زجاج كوارتز فائق النقاء لأشباه الموصلات، بوتقات كوارتز عالية الجودة لأشباه الموصلات |
| سعر التطبيق الصناعي (دولار أمريكي/طن) | 600 ~ 1500 | 5,500 ~ 8,500 | 12,000 ~ 15,000 |
المواصفات الفنية للكوارتز عالي النقاء
لا يوجد تعريف مُتفق عليه عالميًا. حاول مولر وآخرون (2007) تصنيف الكوارتز لأول مرة بناءً على محتوى العناصر النزرة، مُشيرين إلى أن الكوارتز عالي النقاء يجب أن يستوفي المعايير التالية (جزء في المليون): ألومنيوم < 30، بورون < 1، كالسيوم < 5، حديد < 3، بوتاسيوم < 8، ليثيوم < 5، صوديوم < 8، تيتانيوم < 10، فسفور < 2، مع إجمالي شوائب أقل من 50 جزء في المليون. وأشار تشانغ يي وآخرون (2010) إلى أن رمال الكوارتز عالية النقاء المُعترف بها دوليًا تحتوي على إجمالي 15 شوائب (ألومنيوم، بوتاسيوم، صوديوم، ليثيوم، كالسيوم، حديد، مغنيسيوم، منغنيز، تيتانيوم، زركونيوم، نحاس، كروم، نيكل، فسفور، بورون) أقل من 22.26 جزء في المليون. يحدد "دليل إرشادات عرض التطبيق للدفعة الأولى للمواد الجديدة الرئيسية (إصدار 2018)" الصادر عن الصين أن الكوارتز عالي النقاء يجب أن يحتوي على إجمالي 12 شوائب (Fe، Mg، Cr، Ni، Cu، Mn، Ca، Al، Na، Li، K، B) أقل من 6 جزء في المليون.
تُعدّ الشوائب السائلة، الشائعة في الكوارتز، سببًا رئيسيًا لتكوّن الفقاعات في منتجات الكوارتز عالية النقاوة، مما يؤثر سلبًا على جودتها. لذا، يجب أن يخلو الكوارتز عالي النقاوة من الشوائب السائلة أو يحتوي على الحد الأدنى منها. تشير الملاحظات إلى أنه يجب أن يستوفي المعايير التالية: نسبة مساحة الشوائب السائلة في الجسيمات المفردة <1%؛ عند فحص الجسيمات المحتوية على شوائب سائلة تحت المجهر (عدسة تكبير 10x، متوسط حجم الحبيبات 0.1 مم للعينة) <1%؛ فقدان الوزن الحراري <15 جزءًا في المليون.
الجدول 2 مؤشرات الكوارتز عالي النقاء سلسلة US Unimin IOTA (جزء في المليون) [9]
| عنصر | ال | ب | كاليفورنيا | Cr | النحاس | Fe | ك | لي | المغنيسيوم | المنغنيز | نا | ني |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| معيار IOTA | 16.2 | 0.08 | 0.5 | <0.05 | <0.05 | 0.23 | 0.60 | 0.90 | <0.05 | <0.05 | 0.9 | <0.05 |
| إيوتا – 4 | 8.0 | 0.04 | 0.6 | <0.05 | <0.05 | 0.3 | 0.35 | 0.15 | <0.05 | <0.05 | 0.9 | <0.05 |
| إيوتا – 6 | 8.0 | 0.04 | 0.6 | <0.05 | <0.05 | 0.15 | 0.07 | 0.15 | <0.05 | <0.05 | 0.08 | <0.05 |
| إيوتا – 8 | 7.0 | <0.04 | 0.5 | <0.02 | <0.02 | <0.03 | <0.04 | <0.02 | <0.02 | <0.02 | – | <0.02 |
ملاحظة: يشير الرمز "-" إلى البيانات غير المذكورة في الأدبيات.
مواد خام من الكوارتز عالي النقاء
في البداية، استُخدمت البلورات الطبيعية (من الدرجتين الأولى والثانية). ومع النمو السريع للصناعات عالية التقنية، لم يعد بإمكان البلورات الطبيعية المحدودة والمتناقصة تلبية الطلب. منذ سبعينيات القرن الماضي، استخدمت الولايات المتحدة الأمريكية البغماتيت الجرانيتي، واستخدمت اليابان البغماتيت ذو الحبيبات الدقيقة، بينما استخدمت روسيا وألمانيا الكوارتزيت المتحول وعروق الكوارتز. أما اليوم، فتُعد معادن الكوارتز الطبيعية المصدر الرئيسي.
الخصائص المعدنية للمواد الخام من الكوارتز عالي النقاء
لا ترتبط جودة الكوارتز عالي النقاء بشكل عكسي بمحتوى الشوائب في المادة الخام فحسب، بل ترتبط ارتباطًا وثيقًا بـ قابلية المعالجة تُحدد نسبة الشوائب بناءً على التركيب المعدني للخام. تتميز أنواع خام الكوارتز المختلفة بخصائص معدنية متباينة. يُعد التحليل الدقيق أساسيًا لتحديد خصائص الخام، وتصميم عمليات التركيز/التنقية، وتحديد أهداف المنتج.
1- التركيب الكيميائي ووجود عناصر الشوائب
يكشف التحليل الكيميائي عن أنواع العناصر ومحتوياتها، ولكنه لا يستطيع تحديد إمكانية معالجتها بدقة لإنتاج كوارتز عالي النقاء. وتتنوع الشوائب في نوعها ومحتواها وتواجدها (انظر الجدول 3 للاطلاع على الأنماط الشائعة).
الجدول 3: حالات التواجد الشائعة لعناصر الشوائب في المواد الخام الكوارتزية [1،12]
| عنصر | حالة الحدوث | النموذج الحالي | عنصر | حالة الحدوث | النموذج الحالي |
|---|---|---|---|---|---|
| ال | متماثل الشكل المعادن المستقلة | عيوب الشبكة البلورية في الكوارتز والميكا والفلسبار والمعادن الطينية | تي | متماثل الشكل المعادن المستقلة | عيوب الشبكة في الكوارتز والروتيل |
| Fe | متماثل الشكل المعادن المستقلة | عيوب الشبكة البلورية في الكوارتز، وأكاسيد الحديد، والشوائب المعدنية الصلبة | جي | متماثل الشكل عيب | عيوب الشبكة البلورية في الكوارتز |
| لي | متماثل الشكل الإدماج | عيوب الشبكة البلورية في الكوارتز، والطور السائل في الشوائب السائلة | المغنيسيوم | متماثل الشكل الإدماج | بلورات الكوارتز، شوائب الميكا |
| ك | متماثل الشكل الإدماج | عيوب الشبكة البلورية في الكوارتز والميكا والمعادن الطينية، والطور السائل في الشوائب السائلة | كاليفورنيا | شوائب معدنية مستقلة | معادن مثل الفلوريت، الطور السائل في شوائب السوائل |
| نا | متماثل الشكل الإدماج | عيوب الشبكة البلورية في الكوارتز، وشوائب الميكا، والطور السائل في الشوائب السائلة | -أوه | متماثل الشكل عيب | عيوب الشبكة البلورية في الكوارتز |
2- التركيب المعدني والنسيج
لاختيار المواد الخام المناسبة وتصميم عملية تنقية مثالية، من الضروري تحديد طريقة الحدوث يُعدّ التخلص من الشوائب أمرًا بالغ الأهمية. تُشكّل المعادن المصاحبة المستقلة (مثل الميكا، والفلسبار، والهيماتيت، والتورمالين، والكلوريت، والمعادن الطينية) ناقلات رئيسية للشوائب، وتُشكّل بسهولة شوائب معدنية أثناء التمعدن، مما يؤثر بشكل كبير على جودة المنتج النهائي. يؤثر نسيج التداخل بين الكوارتز والمعادن المصاحبة بشكل مباشر على درجة التحرر، وبالتالي على كفاءة التنقية. يؤدي التغير التحولي/الديوجيني القوي إلى اختلافات أكثر وضوحًا في التداخل، بدءًا من الأنواع المتجاورة وصولًا إلى الأنواع الملتصقة أو حتى المُغلّفة، مما يزيد من صعوبة التحرر ويقلل من إمكانية المعالجة.
- الشكل 1 (أ): البغماتيت الجرانيتي من سبروس باين، الولايات المتحدة الأمريكية - علم المعادن المعقد ولكن الكوارتز يتحرر بسهولة، ويحتوي على شوائب ضئيلة.
- الشكل 1 (ب): كوارتز عروق من تشينغهاي، الصين - حبيبات خشنة ونقية مع كمية قليلة من المسكوفيت عند حدود الحبيبات / الحدود، يتحرر بسهولة، ويمكن أن ينتج عنه >99.99% SiO₂، Al <10 جزء في المليون بعد المعالجة.
- الشكل 1(ج): مُركّز مُنقّى يُظهر شوائب معدنية مُستمرة - في ظل التقنية الحالية، تبقى الشوائب عالقة داخل لا يمكن فصل حبيبات الكوارتز بشكل فعال. يصعب معالجة الكوارتز ذي التحرر الضعيف والشوائب الكثيرة لإنتاج كوارتز عالي النقاء.
3- شوائب سائلة
توجد هذه الشوائب بكثرة في المعادن والصخور (10²–10⁹ لكل سنتيمتر مكعب، وعادةً ما يكون حجمها أقل من 50 ميكرومترًا). يؤثر نوعها وحجمها ومحتواها بشكل كبير على الجودة. تُصنف حسب محتواها إلى: غازية، سائلة، غازية-سائلة، ثلاثية الأطوار. تحتوي هذه الشوائب على شوائب (مثل الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم وغيرها) وتؤثر سلبًا بشكل كبير على سلوك الانصهار. تُظهر الدراسات أن إزالة الشوائب السائلة أكثر صعوبة من إزالة الشوائب العنصرية، وهي عامل مُحدد رئيسي. يُعد اختيار الكوارتز الخالي من الشوائب السائلة أو الذي يحتوي على شوائب سائلة أمرًا بالغ الأهمية.
4 شوائب الشبكة
تُصبح العناصر التي تحل محل أيون السيليكون (Si⁴⁺) أثناء تكوين البلورات شوائب هيكلية. ورغم انخفاض نسبتها، إلا أنها بالغة الصعوبة في إزالتها، وتُعدّ العامل الأكثر أهمية في تحديد جودة البلورات. وتشمل أنماط الاستبدال: 1) الاستبدال المتكافئ (Ti⁴⁺، Ge⁴⁺)؛ 2) الاستبدال المزدوج (Al³⁺ + P⁵⁺ بدلًا من 2Si⁴⁺)؛ 3) الاستبدال المُعاوَض للشحنة (Al³⁺، Fe³⁺ بدلًا من Si⁴⁺، مع موازنة الشحنة بواسطة Li⁺، Na⁺، K⁺، H⁺). ويكون تركيز الألومنيوم عادةً هو الأعلى. ويُحدث استبداله اختلالًا في الشحنة، يرتبط غالبًا بارتفاع محتوى الليثيوم والبوتاسيوم والصوديوم. ويمكن أن يُشير محتوى الألومنيوم إلى جودة المادة الخام. في ظل التكنولوجيا الحالية، تكاد تكون شوائب الشبكة غير قابلة للإزالة.
يوضح الشكل 2 خريطة SEM-EDS لجزيء كوارتز وريدي بعد عملية الترشيح الحراري بالضغط. يتوزع الألومنيوم بانتظام (الشكل 2ب)، متوافقًا مع شكل الجزيء، مما يشير إلى وجود ألومنيوم مرتبط بالشبكة البلورية. أما توزيع المغنيسيوم فغير واضح (الشكل 2ج). أظهر تحليل GFAAS/AAS أن تركيز الألومنيوم بعد الترشيح يساوي 13.92 جزءًا في المليون، وتركيز المغنيسيوم يساوي 0.59 جزءًا في المليون، مما يسلط الضوء على الصعوبة البالغة لإزالة الألومنيوم المرتبط بالشبكة البلورية.
تشير الدراسات الاستقصائية العالمية إلى أن الكوارتز الطبيعي القابل للمعالجة يجب أن يمتلك: حبيبات نقية كيميائياً، ونسبة منخفضة/معدومة من شوائب الشبكة البلورية، وحجم حبيبات كبير، وعدد قليل من شوائب المعادن/السوائل، ومحتوى منخفض من المعادن المصاحبة.
المواد الخام النموذجية للكوارتز عالي النقاء
على الرغم من وفرة الكوارتز، إلا أن المواد الخام عالية النقاء لا تتشكل إلا في ظل ظروف جيولوجية محددة. عدد قليل جدًا من الرواسب مناسب، وتتطلب معالجة بالغة التعقيد. بناءً على التكوين: صهاري، متحول، حراري مائي (انظر الجدول 4 للاطلاع على الخصائص/الأمثلة).
المثال الكلاسيكي هو البغماتيت الجرانيتي في سبروس باين (الولايات المتحدة الأمريكية)، والذي تشكل تحت تأثير التحول الأخضر الأليغيني الذي يعزز إعادة التبلور الديناميكي والتشوه البلاستيكي وهجرة الشوائب إلى حدود الحبيبات الجديدة عبر السوائل، مما ينتج عنه كوارتز عالي النقاء مع عدد قليل من الشوائب.
يتبلور الكوارتز البغماتيتي الصهاري ببطء من الصهارة ذات درجة الحرارة العالية، مما يسمح بانفصال الشوائب، وينتج عنه نقاء عالٍ وعدد قليل من شوائب السوائل.
الجدول 4: خصائص الكوارتز من الأنواع الجينية المختلفة وأمثلة التطبيقات النموذجية [18]
| أنواع مختلفة من الكوارتز من الناحية الجينية | صفات | أمثلة نموذجية للتطبيق |
|---|---|---|
| النوع الصهاري | الكوارتز الجرانيتي | درجة حرارة التكوين (700 درجة مئوية - 1000 درجة مئوية)، حبيبات الكوارتز نقية مع عدم وجود شوائب سائلة تقريبًا. |
| النوع المتحول | كوارتز صخري متحول عالي الجودة | درجة حرارة التكوين (750 - 900 درجة مئوية)، محتوى منخفض من شوائب السوائل. |
| كوارتزيت متحول | كلما طالت فترة التكوين وازدادت شدة الأحداث الحرارية التي تعرض لها، كلما كان الكوارتز أنقى وقلّت شوائب السوائل فيه. | |
| نوع النمو الحراري المائي | كوارتز البغماتيت في مراحله المبكرة | درجة حرارة التكوين 600 - 700 درجة مئوية، حجم الحبيبات بشكل عام 2 - 6 مم، شفاف، بلورة مفردة نقية، شوائب سائلة قليلة. |
| بلورة البغماتيت في المرحلة المتوسطة إلى المتأخرة | درجة حرارة التكوين 500 – 600 درجة مئوية. | |
| عروق الكوارتز الحرارية المائية | درجة حرارة التكوين 400 - 500 درجة مئوية، شفاف - شبه شفاف، محتوى منخفض نسبياً من شوائب السوائل. | |
| عروق الكوارتز الحرارية المائية | درجة حرارة التكوين 50 - 400 درجة مئوية، أبيض - أبيض حليبي، يحتوي على عدد كبير من شوائب السوائل الصغيرة. |
يتطلب اختيار المواد الخام المناسبة دراسة معدنية مفصلة باستخدام تقنيات متعددة، مع التركيز على: 1) نسيج ومحتوى الشوائب المعدنية؛ 2) محتوى الشوائب السائلة؛ 3) محتوى شوائب الشبكة.
تقنية معالجة الكوارتز عالي النقاء
الهدف هو فصل الشوائب المختلفة. الخطوات: 1) التفتيت والتصنيف لتحرير الكوارتز من الشوائب والوصول إلى الحجم المطلوب؛ 2) تقنيات محددة لفصل المعادن المستقلة والشوائب والشوائب الشبكية.
1. المعالجة المسبقة للتفتيت والتصنيف
يهدف إلى تحرير فعال وإطلاق الشوائب السائلة، ويوفر تغذية ذات حجم مناسب. لتجنب التلوث بالحديد، استخدم وسائط ZrO₂ أو العقيق. التفتيت الحراري (التسخين متبوعًا بالتبريد السريع) يقلل من الصلابة/الطاقة، ويقلل من التلوث، ويخلق شقوقًا دقيقة تساعد في التنقية الكيميائية. تجزئة النبضات عالية الجهد يستخدم الموجات الصدمية لكسر الكوارتز على طول حدود الحبيبات الغنية بالشوائب.
2- فصل المعادن المستقلة المرتبطة
تشمل الطرق الفعالة فرز الألوان، والتنظيف، والفصل بالجاذبية. الفصل المغناطيسي، و التعويم (انظر الجدول 5).
الجدول 5: تقنية فصل المعادن المستقلة المرتبطة بالكوارتز [23-25]
| طريقة الفصل | مبدأ | إزالة الشوائب الرئيسية | صفات |
|---|---|---|---|
| فرز الألوان | الخواص البصرية للمعادن | معادن شوائب داكنة اللون، كوارتز حليبي، إلخ. | فعال للغاية للجسيمات الخشنة. |
| التنظيف | الاحتكاك بين جزيئات المعادن | طبقات رقيقة من الطين والأكسيد تلتصق بأسطح جزيئات الكوارتز. | التنظيف الميكانيكي، التنظيف الكيميائي، التنظيف بالموجات فوق الصوتية. |
| الانفصال بفعل الجاذبية | الكثافة المعدنية | الميكا، الزركون، الروتيل، إلخ. الهيماتيت، المغنتيت، التورمالين، الميكا، والمعادن المغناطيسية الأخرى. | خسارة كبيرة في المركز. |
| الفصل المغناطيسي | المغناطيسية المعدنية | الفصل المغناطيسي عالي الكثافة متعدد المراحل. | |
| التعويم | خصائص المعادن | الميكا، والفلسبار، والأباتيت، إلخ. | التعويم العكسي، مراحل تنظيف متعددة. |
تزيل عملية الفصل المغناطيسي متعددة المراحل عالية الكثافة المعادن المغناطيسية والشوائب. ويفصل التعويم المعادن السيليكاتية مثل الميكا والفلسبار. وتُعدّ مراحل التنظيف المتعددة ضرورية. وغالبًا ما تكون هناك حاجة إلى مخططات تدفق مُدمجة بناءً على خصائص الخام.
بعد المعالجة المسبقة والفصل الفيزيائي، يمكن أن يصل محتوى SiO₂ إلى ~99.9%، ولكن ليس إلى مواصفات عالية النقاء، لأن هذه الطرق غير فعالة ضد الشوائب والشوائب الشبكية.
3- فصل الشوائب المضمنة
3.1 ترشيح الشوائب المعدنية باستخدام الأحماض المختلطة
تعتمد هذه الطريقة على ذوبان الكوارتز في حمض الهيدروفلوريك فقط، بينما تذوب الشوائب المعدنية الأخرى في الأحماض (حمض الكبريتيك، حمض الهيدروكلوريك، حمض النيتريك، حمض الهيدروفلوريك). وتُعدّ الأحماض المختلطة أكثر فعاليةً للشوائب المعقدة. تُظهر الدراسات الديناميكية الحرارية (الجدول 6) الشوائب الشائعة. يستطيع تذوب في الأحماض المحتوية على HF، لكن معدلات التفاعل بطيئة (ثوابت التوازن ~1.0–1.5).
الجدول 6 طاقة جيبس الحرة لتفاعل التحلل وثابت التوازن للشوائب المعدنية الشائعة في الكوارتز في الأحماض المختلطة المحتوية على حمض الهيدروفلوريك عند درجات حرارة مختلفة [13]
| درجة الحرارة/°مئوية | 25 | 75 | 100 | 150 | 175 | 200 | 225 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| فلسبار البوتاسيوم ΔrGT | –403.2 | -451.86 | –474.98 | –517.36 | -536.08 | –548.97 | –583.72 |
| ك | 1.18 | 1.17 | 1.17 | 1.16 | 1.15 | 1.15 | 1.15 |
| ألبايت ΔrGT | -409.22 | –455.41 | –477.36 | –517.61 | –535.37 | –547.16 | -581.23 |
| ك | 1.18 | 1.17 | 1.18 | 1.16 | 1.15 | 1.15 | 1.15 |
| الأنورثيت ΔrGT | –539.45 | –571.71 | –586.77 | -614.89 | –628.75 | -635.14 | –660.45 |
| ك | 1.24 | 1.22 | 1.21 | 1.19 | 1.18 | 1.18 | 1.17 |
| ديوبسيد ΔrGT | –676.42 | –663.01 | –637.67 | –619.14 | –595.78 | -556.82 | –556.92 |
| ك | 1.31 | 1.26 | 1.23 | 1.19 | 1.17 | 1.16 | 1.14 |
| موسكوفي ΔrGT | –704.97 | –768.97 | –799.71 | –858.27 | –886.61 | –905.49 | –954.7 |
| ك | 1.33 | 1.3 | 1.29 | 1.28 | 1.27 | 1.27 | 1.26 |
| سبودومين ΔrGT | -1015.6 | -1060.2 | -1078.3 | -1108.4 | –1123 | -1124.5 | –1145.1 |
| ك | 1.51 | 1.44 | 1.42 | 1.37 | 1.35 | 1.33 | 1.32 |
| الهيماتيت ΔrGT | –86.59 | –80.44 | –77.14 | –72.39 | –72.92 | –68.75 | –67.38 |
| ك | 1.04 | 1.03 | 1.03 | 1.02 | 1.02 | 1.02 | 1.02 |
| FeO ΔrGT | -111.77 | -110.56 | -110.09 | -103.65 | -105.58 | -105.2 | -106.15 |
| ك | 1.05 | 1.04 | 1.04 | 1.03 | 1.03 | 1.03 | 1.03 |
| المغنيتيت ΔrGT | -179.71 | -172.36 | -168.59 | -164.2 | -166.58 | -161.95 | -161.44 |
| ك | 1.08 | 1.06 | 1.06 | 1.05 | 1.05 | 1.04 | 1.04 |
| البيريت ΔrGT | -161.69 | -187.38 | -203.87 | -241.16 | -260.4 | -285.45 | -307.56 |
| ك | 1.07 | 1.07 | 1.07 | 1.07 | 1.07 | 1.08 | 1.08 |
التعرض الفعال يُعدّ وجود العناصر المضمنة شرطاً أساسياً. المعالجة الحرارية لانتقال الطور (التسخين إلى حوالي 573 درجة مئوية لتحول ألفا-بيتا أو 1470 درجة مئوية للكريستوباليت، ثم التبريد السريع) يستخدم التمدد الحجمي لإحداث شقوق، مما يكشف عن الشوائب. العيوب: احتمالية التزجج عند درجات حرارة عالية، وتكوين أكاسيد/نتريدات مستقرة.
3.2 انفجار الشوائب السائلة عند درجات حرارة عالية
يؤدي التسخين إلى تجاوز الضغط الداخلي لضغط الحصر، مما يتسبب في انفجار الشوائب وإطلاقها لغسلها لاحقًا بالحمض. لا تنفجر جميع الشوائب: فالشوائب الغنية بالسوائل تنفجر قرب درجة حرارة التجانس، بينما تتحمل الشوائب الغنية بالبخار درجات حرارة أعلى. تُظهر النمذجة الديناميكية الحرارية (الجدول 7) ضغطًا داخليًا أعلى للشوائب المتجانسة بالسوائل مقارنةً بتلك المتجانسة بالبخار عند نفس درجة الحرارة.
3.3 الكلورة (تطاير الكلوريد)
يؤدي تسخين الكوارتز إلى درجة حرارة تتراوح بين 1000 و1500 درجة مئوية تحت غاز الكلور أو حمض الهيدروكلوريك أو خليط من الغازات إلى تبخير الشوائب المعدنية على شكل كلوريدات، مما يساعد على إزالة الشوائب السائلة/مجموعات الهيدروكسيل. ويحفز تدرج الجهد الكيميائي انتشار الشوائب. وقد أظهرت الأبحاث (مثل دراسة ماو لينغوين وآخرون) انخفاض تركيز أيونات الهيدروكسيل [OH⁻] من 35 جزءًا في المليون إلى 20.5 جزءًا في المليون عند درجة حرارة 1250 درجة مئوية في جو من الكلور.
إزالة شوائب الشبكة البلورية
يتضمن ذلك كسر روابط Me-O التي تم إدخالها عن طريق الاستبدال. تختلف طاقات الروابط (انظر الجدول 8):
الجدول 8 طاقة الرابطة Me–O في السيليكات [13]
| أنا | Si⁴⁺ | Mn²⁺ | Cu²⁺ | Ca²⁺ | Mn²⁺ | Pb²⁺ | Ti⁴⁺ |
| طاقة الرابطة كيلوجول/مول | 10312 – 13146 | 3,745 | 3,598 | 3,510 | 3,816 | 3,469 | 12,058 |
| أنا | Al³⁺ | Zn²⁺ | Fe³⁺ | Li⁺ | Na⁺ | K⁺ | Ba²⁺ |
| طاقة الرابطة كيلوجول/مول | 7201 – 7858 | 3,037 | 3,845 | 1,469 | 1,347 | 1,251 | 3,213 |
تُعدّ روابط الفلزات القلوية (الليثيوم، الصوديوم، البوتاسيوم) مع الأكسجين الأضعف، ولكن يصعب إزالتها نظرًا لدورها في توازن الشحنات. أما روابط الحديد، والنحاس، والكالسيوم، والمنغنيز مع الأكسجين، فهي قابلة للإزالة بشكل متوسط. بينما تُعدّ روابط الألومنيوم والتيتانيوم مع الأكسجين الأقوى، مما يجعل الألومنيوم والتيتانيوم من أكثر شوائب الشبكة البلورية مقاومةً.
أثناء تغير البنية البلورية (مثلًا، من الكوارتز إلى الكريستوباليت عند حوالي 1500 درجة مئوية)، تنكسر الروابط ثم تتشكل من جديد، ويتمدد الهيكل البلوري (المحور c: من 5.404 أنغستروم إلى 6.971 أنغستروم)، مما قد يسمح بانتقال الشوائب إلى الأسطح. وقد يُسهم جو النيتروجين في زيادة معدل التحويل مقارنةً بالفراغ.
عند درجات حرارة أقل من درجة انصهار الكوارتز، تتفاعل الشوائب مع عوامل الكلورة (حمض الهيدروكلوريك، كلوريد الأمونيوم، ثاني أكسيد الكلور) لتكوين كلوريدات متطايرة. وقد يُسهم التحول الطوري المصاحب في هجرة الشوائب إلى السطح للتفاعل، ويمنع إعادة اندماجها عند التبريد.
بقلم ما تشاو: الخصائص المعدنية وتطورات تكنولوجيا معالجة المواد الخام من الكوارتز عالي النقاء، وحماية الموارد المعدنية واستخدامها
مسحوق ملحمي
مسحوق ملحمي مورد محترف لتجهيزات معالجة المساحيق المشاريعنقدم خدمات متخصصة في طحن المساحيق، وتصنيفها، وتشتيتها، ومعالجة أسطحها، وإعادة تدوير النفايات. كما نوفر الاستشارات، والاختبارات، وتصميم المشاريع، والآلات، والتشغيل، والتدريب.
شكرًا لقراءتكم. يُرجى ترك تعليق أدناه. كما يمكنكم التواصل مع ممثل خدمة عملاء EPIC Powder عبر الإنترنت. زيلدا لأي استفسارات أخرى.
