Quelles sont les technologies de purification chimique pour le quartz de haute pureté ?

Après une purification préliminaire du minerai de quartz par des méthodes physiques telles que le traitement minéral, on peut obtenir du quartz présentant une teneur en SiO₂ comprise entre 99,3 % et 99,9 %. Pour atteindre une pureté supérieure, une purification chimique est nécessaire. Les technologies de purification chimique comprennent la lixiviation acide, la lixiviation alcaline et le traitement thermique. La lixiviation acide et alcaline utilise des acides ou des bases pour éliminer les impuretés du quartz, parfois combinées à une lixiviation assistée par ultrasons pour atteindre la pureté souhaitée. Le traitement thermique élimine les impuretés d'inclusion ou les impuretés isomorphes du quartz grâce à des températures élevées.

1. Lixiviation acide
La lixiviation acide est le procédé de purification chimique le plus étudié. Le type d'acide influence considérablement l'efficacité de la lixiviation. Les acides couramment utilisés sont l'acide chlorhydrique (HCl), l'acide sulfurique (H₂SO₄), l'acide fluorhydrique (HF), l'acide oxalique (H₂C₂O₄) et l'acide nitrique (HNO₃). Des acides mixtes sont souvent utilisés, mais d'autres facteurs tels que la température, la durée et l'intensité de l'agitation influencent également les résultats.

1.1 Lixiviation fluorée
L'acide fluorhydrique (HF) élimine efficacement les impuretés de surface du quartz et dissout le quartz, le mica et le feldspath. Le dimère (HF)₂ et le HF₂⁻ en solution d'HF attaquent nucléophilement les atomes de silicium, brisant les liaisons Si–O et favorisant la lixiviation des impuretés métalliques.

HCl + HF : Xiong Kang et al. ont utilisé un système mixte HCl-HF pour réduire les impuretés totales à 4,07×10⁻⁵ (élimination de 91,11 %) et atteindre 99,993 % de SiO₂.

H₂SO₄ + HF : Xia Zhangjie et al. ont obtenu des taux d'élimination de Fe, K et Al de 97,31 %, 94,87 % et 86,47 %, respectivement, en utilisant 3 mol/L de H₂SO₄ + 0,5 mol/L de HF à 80 °C pendant 8 h.

Acide oxalique (H₂C₂O₄) : Li Xianrong et al. ont combiné HCl, H₂C₂O₄ et HF pour obtenir une élimination de 93,97 % de Fe, réduisant la teneur en Fe à ~4×10⁻⁶.

HNO₃ : Lei Shaomin et al. utilisé HF-HCl-HNO₃ (0,5, 2,5, 1,0 mol/L) pour obtenir 99,9 % de SiO₂.

1.2 Lixiviation sans fluor
Pour éviter les problèmes environnementaux et de rendement causés par le HF, des méthodes sans fluor émergent :

H₂SO₄ + H₂C₂O₄ : Tuncuk et al. ont réduit la teneur en Fe₂O₃ à 1×10⁻⁶ (élimination de 98,9 %).

Lixiviation assistée par NH₄Cl : Lin Min a atteint des taux d'élimination totale des impuretés de 85,2 % (NH₄Cl-HCl) et 84,0 % (NH₄Cl-H₂SO₄).

Agents complexants : Zhong et al. ont découvert que les acides oxalique et acétique étaient les plus efficaces, les acides citrique, humique, EDTA et thiourée améliorant également l'élimination des impuretés.

Acide oxalique à haute température : à > 90 °C et à pH 2,5–3,0, la dissolution de l'oxyde de fer s'accélère.

1.3 Lixiviation assistée par ultrasons
La cavitation ultrasonique améliore la lixiviation en brisant les inclusions liquides sur les surfaces de quartz :

H₃PO₄ : Zhang et al. ont obtenu une élimination de 77,1 % de Fe à 80 °C avec du quartz de 100 mesh.

H₂C₂O₄ : Du et al. ont atteint 75,4 % d'élimination de Fe à 95 °C et 150 W d'ultrasons.

HF + H₂C₂O₄ : Yang et al. ont augmenté SiO₂ de 99,583 % à 99,905 % dans des conditions optimisées.

2. Lixiviation alcaline
Les solutions alcalines (par exemple, NaOH) dissolvent les impuretés comme la muscovite et élargissent les fissures de surface, facilitant ainsi la lixiviation acide ultérieure :

Lei Shaomin et al. ont combiné la torréfaction, la lixiviation au NaOH et la lixiviation à l'acide mixte pour obtenir 99,991 % de SiO₂.

Shao et al. ont utilisé 12 % de NaOH à 200 °C pendant 100 min, suivi d'une lixiviation HCl-HNO₃-HF, réduisant les impuretés de 47,21 % et atteignant 99,994 % de SiO₂.

3. Traitement thermique
3.1 Torréfaction à haute température
Chauffage du quartz pour induire la rupture des inclusions (par exemple, à 900 °C) :

Yang a amélioré SiO₂ à 99,905 % (Fe₂O₃ réduit à 0,022 %) en utilisant une cuisson à 900 °C + H₂C₂O₄-HCl assisté par ultrasons.

Xia Zhangjie a combiné la lixiviation H₃PO₄ sous pression à chaud et la grillage Na₂CO₃ (1 000 °C) pour obtenir 99,995 % de SiO₂.

3.2 Chauffage par micro-ondes
Le chauffage interne par micro-ondes élimine efficacement les inclusions :

Hou et al. ont éliminé la plupart des inclusions fluides à 900 °C.

Li et al. ont combiné le chauffage par micro-ondes (1 000 °C) avec la lixiviation au HNO₃ pour réduire le Fe de 2,85 × 10⁻⁴ à 1,67 × 10⁻⁷ (élimination de 99,94 %).

3.3 Chloration et grillage
Utilisé par Unimin Corporation (États-Unis) pour éliminer le Ti réfractaire :

Le gaz NH₄Cl ou HCl réagit avec les impuretés (par exemple, Al, Fe, K, Na) pour former des chlorures volatils. À 1 200 °C, les impuretés K et Na peuvent chuter à 1 × 10⁻⁷ et 3 × 10⁻⁸.

Conclusion
La lixiviation acide domine les pratiques industrielles actuelles, tandis que les méthodes sans fluor et assistées par ultrasons sont prometteuses. La chloration par grillage reste limitée par les brevets d'Unimin. Les recherches futures devraient se concentrer sur l'optimisation des systèmes sans fluor, la compréhension des mécanismes de chloration et l'adaptation des traitements thermiques à des sources de quartz spécifiques.

Source : Adapté de Progress in High-Purity Quartz Applications and Chemical Purification Technologies par Wu Zhichao et al. (Quartz Industry).
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