Welche chemischen Reinigungstechnologien gibt es für hochreinen Quarz?

Nach der Vorreinigung von Quarzerz durch physikalische Verfahren wie die Mineralaufbereitung kann Quarz mit einem SiO₂-Gehalt von 99,3–99,9 % gewonnen werden. Um eine höhere Reinheit zu erreichen, ist eine chemische Reinigung erforderlich. Chemische Reinigungstechnologien umfassen Säurelaugung, Alkalilaugung und Wärmebehandlung. Bei der Säure- und Alkalilaugung werden Säuren oder Basen verwendet, um Verunreinigungen aus Quarz zu entfernen. Manchmal wird dies mit ultraschallunterstützter Laugung kombiniert, um die gewünschte Reinheit zu erreichen. Die Wärmebehandlung entfernt Einschlussverunreinigungen oder isomorphe Verunreinigungen im Quarz durch hohe Temperaturen.

1. Säurelaugung
Die Säurelaugung ist das am besten untersuchte chemische Reinigungsverfahren. Die Art der Säure beeinflusst maßgeblich die Effizienz der Laugung. Häufig verwendete Säuren sind Salzsäure (HCl), Schwefelsäure (H₂SO₄), Flusssäure (HF), Oxalsäure (H₂C₂O₄) und Salpetersäure (HNO₃). Oft werden gemischte Säuren verwendet, wobei auch andere Faktoren wie Temperatur, Zeit und Rührintensität die Ergebnisse beeinflussen.

1.1 Fluorierte Auslaugung
Flusssäure (HF) entfernt effektiv Oberflächenverunreinigungen von Quarz und löst Quarz, Glimmer und Feldspat auf. Die Dimere (HF)₂ und HF₂⁻ in der HF-Lösung greifen Si-Atome nukleophil an, brechen Si-O-Bindungen und fördern das Auswaschen metallischer Verunreinigungen.

HCl + HF: Xiong Kang et al. verwendeten ein gemischtes HCl-HF-System, um die Gesamtverunreinigungen auf 4,07×10⁻⁵ (91,11 % Entfernung) zu reduzieren und 99,993 % SiO₂ zu erreichen.

H₂SO₄ + HF: Xia Zhangjie et al. erreichten Fe-, K- und Al-Entfernungsraten von 97,31 %, 94,87 % bzw. 86,47 % unter Verwendung von 3 mol/l H₂SO₄ + 0,5 mol/l HF bei 80 °C über 8 Stunden.

Oxalsäure (H₂C₂O₄): Li Xianrong et al. kombinierten HCl, H₂C₂O₄ und HF, um eine Fe-Entfernung von 93,97 % zu erreichen und den Fe-Gehalt auf ~4×10⁻⁶ zu reduzieren.

HNO₃: Lei Shaomin et al. verwendete HF-HCl-HNO₃ (0,5, 2,5, 1,0 mol/L), um 99,9 % SiO₂ zu erreichen.

1.2 Fluorfreies Laugungsverfahren
Um durch HF verursachte Umwelt- und Ertragsprobleme zu vermeiden, werden fluorfreie Methoden entwickelt:

H₂SO₄ + H₂C₂O₄: Tuncuk et al. reduzierten den Fe₂O₃-Gehalt auf 1×10⁻⁶ (98,9 % Entfernung).

NH₄Cl-unterstützte Laugung: Lin Min erreichte eine Gesamtverunreinigungsentfernungsrate von 85,2 % (NH₄Cl-HCl) und 84,0 % (NH₄Cl-H₂SO₄).

Komplexbildner: Zhong et al. fanden heraus, dass Oxal- und Essigsäure am wirksamsten sind, wobei Zitronensäure, Huminsäure, EDTA und Thioharnstoff ebenfalls die Entfernung von Verunreinigungen verbessern.

Hochtemperatur-Oxalsäure: Bei >90 °C und einem pH-Wert von 2,5–3,0 beschleunigt sich die Auflösung von Eisenoxid.

1.3 Ultraschallunterstützte Laugung
Ultraschallkavitation verbessert die Auslaugung durch Aufbrechen von Flüssigkeitseinschlüssen auf Quarzoberflächen:

H₃PO₄: Zhang et al. erreichten mit 100-Maschen-Quarz eine Fe-Entfernung von 77,1 % bei 80 °C.

H₂C₂O₄: Du et al. erreichten eine Fe-Entfernung von 75,4 % bei 95 °C und 150 W Ultraschall.

HF + H₂C₂O₄: Yang et al. erhöhten SiO₂ unter optimierten Bedingungen von 99,583 % auf 99,905 %.

2. Alkalische Laugung
Alkalische Lösungen (z. B. NaOH) lösen Verunreinigungen wie Muskovit und weiten Oberflächenrisse, was die anschließende Säurelaugung erleichtert:

Lei Shaomin et al. kombinierten Rösten, NaOH-Laugung und Laugung mit gemischten Säuren, um 99,991 % SiO₂ zu erreichen.

Shao et al. verwendeten 12 % NaOH bei 200 °C für 100 Minuten, gefolgt von einer HCl-HNO₃-HF-Auslaugung, wodurch die Verunreinigungen um 47,21 % reduziert und 99,994 % SiO₂ erreicht wurden.

3. Wärmebehandlung
3.1 Hochtemperaturrösten
Erhitzen von Quarz zum Herbeiführen eines Einschlussbruchs (z. B. bei 900 °C):

Yang verbesserte SiO₂ auf 99,905 % (Fe₂O₃ auf 0,022 % reduziert) durch Rösten bei 900 °C + ultraschallunterstütztes H₂C₂O₄-HCl.

Xia Zhangjie kombinierte Heißdrucklaugung mit H₃PO₄ und Na₂CO₃-Röstung (1.000 °C), um 99,995 % SiO₂ zu erreichen.

3.2 Mikrowellenerhitzung
Durch die interne Erwärmung mittels Mikrowellen werden Einschlüsse effizient entfernt:

Hou et al. entfernten die meisten Flüssigkeitseinschlüsse bei 900 °C.

Li et al. kombinierten Mikrowellenerhitzung (1.000 °C) mit HNO₃-Auslaugung, um Fe von 2,85×10⁻⁴ auf 1,67×10⁻⁷ zu reduzieren (99,94 % Entfernung).

3.3 Chlorrösten
Wird von der Unimin Corporation (USA) zum Entfernen von feuerfestem Ti verwendet:

NH₄Cl- oder HCl-Gas reagiert mit Verunreinigungen (z. B. Al, Fe, K, Na) zu flüchtigen Chloriden. Bei 1.200 °C können die K- und Na-Verunreinigungen auf 1×10⁻⁷ bzw. 3×10⁻⁸ sinken.

Abschluss
Die Säurelaugung dominiert die derzeitige industrielle Praxis, während fluorfreie und ultraschallgestützte Verfahren vielversprechend sind. Das Chlorrösten ist durch Unimins Patente weiterhin eingeschränkt. Zukünftige Forschung sollte sich auf die Optimierung fluorfreier Systeme, das Verständnis der Chlorierungsmechanismen und die Anpassung der thermischen Behandlung an spezifische Quarzquellen konzentrieren.

Quelle: Angepasst aus „Progress in High-Purity Quartz Applications and Chemical Purification Technologies“ von Wu Zhichao et al. (Quartz Industry).
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