เทคโนโลยีการฟอกทางเคมีสำหรับควอตซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูงมีอะไรบ้าง

หลังจากการทำให้แร่ควอตซ์บริสุทธิ์เบื้องต้นด้วยวิธีการทางกายภาพ เช่น การแปรรูปแร่ จะสามารถผลิตควอตซ์ที่มีปริมาณ SiO₂ 99.3%–99.9% ได้ เพื่อให้ได้ความบริสุทธิ์ที่สูงขึ้น จำเป็นต้องทำให้บริสุทธิ์ทางเคมี เทคโนโลยีการทำให้บริสุทธิ์ทางเคมีประกอบด้วยการชะล้างด้วยกรด การชะล้างด้วยด่าง และการบำบัดด้วยความร้อน การชะล้างด้วยกรดและด่างใช้กรดหรือเบสเพื่อกำจัดสิ่งเจือปนออกจากควอตซ์ บางครั้งใช้ร่วมกับการชะล้างด้วยคลื่นอัลตราโซนิกเพื่อให้ได้ความบริสุทธิ์ตามเป้าหมาย การบำบัดด้วยความร้อนจะกำจัดสิ่งเจือปนที่เจือปนอยู่หรือสิ่งเจือปนที่มีรูปร่างไม่แน่นอนในควอตซ์ด้วยอุณหภูมิสูง

1. การชะล้างด้วยกรด
การชะล้างด้วยกรดเป็นกระบวนการทำให้บริสุทธิ์ทางเคมีที่ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางที่สุด ชนิดของกรดมีผลต่อประสิทธิภาพการชะล้างอย่างมาก กรดที่นิยมใช้กันทั่วไป ได้แก่ กรดไฮโดรคลอริก (HCl), กรดซัลฟิวริก (H₂SO₄), กรดไฮโดรฟลูออริก (HF), กรดออกซาลิก (H₂C₂O₄) และกรดไนตริก (HNO₃) กรดผสมมักถูกนำมาใช้ โดยมีปัจจัยอื่นๆ เช่น อุณหภูมิ เวลา และความเข้มข้นของการกวนที่มีผลต่อผลลัพธ์เช่นกัน

1.1 การชะล้างด้วยฟลูออรีน
กรดไฮโดรฟลูออริก (HF) กำจัดสิ่งเจือปนบนพื้นผิวของควอตซ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และละลายควอตซ์ ไมกา และเฟลด์สปาร์ ไดเมอร์ (HF)₂ และ HF₂⁻ ในสารละลาย HF จะโจมตีอะตอมของ Si ด้วยนิวคลีโอฟิลิเอต ทำลายพันธะ Si–O และส่งเสริมการชะล้างสิ่งเจือปนโลหะ

HCl + HF: Xiong Kang และคณะใช้ระบบ HCl-HF แบบผสมเพื่อลดสิ่งเจือปนทั้งหมดลงเหลือ 4.07×10⁻⁵ (กำจัดได้ 91.11%) และทำให้ได้ SiO₂ 99.993%

H₂SO₄ + HF: Xia Zhangjie และคณะ บรรลุอัตราการกำจัด Fe, K และ Al ที่ 97.31%, 94.87% และ 86.47% ตามลำดับ โดยใช้ H₂SO₄ 3 โมล/ลิตร + 0.5 โมล/ลิตร HF ที่อุณหภูมิ 80°C เป็นเวลา 8 ชั่วโมง

กรดออกซาลิก (H₂C₂O₄): Li Xianrong และคณะ ได้รวม HCl, H₂C₂O₄ และ HF เข้าด้วยกันเพื่อขจัด Fe ได้ 93.97% โดยลดปริมาณ Fe ลงเหลือ ~4×10⁻⁶

HNO₃: Lei Shaomin และคณะ ใช้ HF-HCl-HNO₃ (0.5, 2.5, 1.0 โมล/ลิตร) เพื่อให้ได้ SiO₂ 99.9%

1.2 การชะล้างแบบปราศจากฟลูออรีน
เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาสิ่งแวดล้อมและผลผลิตที่เกิดจาก HF จึงมีการนำวิธีการที่ปราศจากฟลูออรีนมาใช้:

H₂SO₄ + H₂C₂O₄: Tuncuk และคณะ ลดปริมาณ Fe₂O₃ ลงเหลือ 1×10⁻⁶ (กำจัดได้ 98.9%)

การชะล้างด้วยความช่วยเหลือของ NH₄Cl: Lin Min บรรลุอัตราการกำจัดสิ่งเจือปนทั้งหมด 85.2% (NH₄Cl-HCl) และ 84.0% (NH₄Cl-H₂SO₄)

สารเชิงซ้อน: Zhong และคณะพบว่ากรดออกซาลิกและกรดอะซิติกมีประสิทธิภาพมากที่สุด โดยกรดซิตริก ฮิวมิก EDTA และไทโอยูเรียยังช่วยเพิ่มการกำจัดสิ่งเจือปนอีกด้วย

กรดออกซาลิกที่อุณหภูมิสูง: ที่ >90°C และ pH 2.5–3.0 การละลายของออกไซด์ของเหล็กจะเร่งขึ้น

1.3 การชะล้างด้วยคลื่นอัลตราโซนิก
การเกิดโพรงอากาศด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการชะล้างด้วยการทำลายของเหลวที่ปะปนอยู่บนพื้นผิวควอตซ์:

H₃PO₄: Zhang et al. ประสบความสำเร็จในการกำจัด Fe 77.1% ที่อุณหภูมิ 80°C ด้วยควอตซ์ 100 เมช

H₂C₂O₄: Du et al. สามารถกำจัด Fe ได้ 75.4% ที่อุณหภูมิ 95°C และอัลตราซาวนด์ 150 วัตต์

HF + H₂C₂O₄: Yang และคณะ เพิ่ม SiO₂ จาก 99.583% เป็น 99.905% ภายใต้เงื่อนไขที่ปรับให้เหมาะสม

2. การชะล้างด้วยด่าง
สารละลายด่าง (เช่น NaOH) จะละลายสิ่งสกปรก เช่น มัสโคไวต์ และทำให้รอยแตกร้าวบนพื้นผิวกว้างขึ้น ส่งผลให้กรดถูกชะล้างออกมาในภายหลัง

Lei Shaomin และคณะ ผสมผสานการคั่ว การชะล้างด้วย NaOH และการชะล้างด้วยกรดผสม เพื่อให้ได้ SiO₂ 99.991%

Shao และคณะใช้ NaOH 12% ที่อุณหภูมิ 200°C เป็นเวลา 100 นาที ตามด้วยการชะล้างด้วย HCl-HNO₃-HF ช่วยลดสิ่งเจือปนลง 47.21% และบรรลุ SiO₂ 99.994%

3. การบำบัดด้วยความร้อน
3.1 การคั่วที่อุณหภูมิสูง
การให้ความร้อนแก่ควอตซ์เพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดการแตกของสิ่งที่รวมเข้าด้วยกัน (เช่น ที่อุณหภูมิ 900°C):

Yang ปรับปรุง SiO₂ เป็น 99.905% (Fe₂O₃ ลดลงเหลือ 0.022%) โดยใช้การคั่วที่อุณหภูมิ 900°C + H₂C₂O₄-HCl ที่ช่วยด้วยอัลตราโซนิก

Xia Zhangjie ผสมผสานการสกัด H₃PO₄ ที่ความดันร้อนและการคั่ว Na₂CO₃ (1,000°C) เพื่อให้ได้ SiO₂ 99.995%

3.2 การอุ่นด้วยไมโครเวฟ
การให้ความร้อนภายในด้วยไมโครเวฟช่วยขจัดสิ่งเจือปนได้อย่างมีประสิทธิภาพ:

Hou et al. กำจัดของเหลวที่ปนเปื้อนส่วนใหญ่ที่อุณหภูมิ 900°C

Li et al. การให้ความร้อนด้วยไมโครเวฟแบบรวม (1,000°C) กับการชะล้างด้วย HNO₃ เพื่อลด Fe จาก 2.85×10⁻⁴ เป็น 1.67×10⁻⁷ (กำจัดได้ 99.94%)

3.3 การคั่วด้วยคลอรีน
ใช้โดยบริษัท Unimin Corporation (US) เพื่อกำจัดไททาเนียมที่ทนไฟ:

ก๊าซ NH₄Cl หรือ HCl ทำปฏิกิริยากับสิ่งเจือปน (เช่น Al, Fe, K, Na) ทำให้เกิดคลอไรด์ระเหยง่าย ที่อุณหภูมิ 1,200°C สิ่งเจือปน K และ Na สามารถลดลงเหลือ 1×10⁻⁷ และ 3×10⁻⁸ ได้

บทสรุป
การชะล้างด้วยกรดเป็นวิธีการหลักในอุตสาหกรรมปัจจุบัน ขณะที่วิธีการแบบไม่ใช้ฟลูออรีนและแบบใช้คลื่นอัลตราโซนิกก็แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ดี การคั่วด้วยคลอรีนยังคงเป็นข้อจำกัดตามสิทธิบัตรของ Unimin งานวิจัยในอนาคตควรมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงระบบที่ไม่ใช้ฟลูออรีนให้เหมาะสม การทำความเข้าใจกลไกของคลอรีน และการปรับแต่งการบำบัดด้วยความร้อนสำหรับแหล่งกำเนิดควอตซ์เฉพาะ

ที่มา: ดัดแปลงจาก Progress in High-Purity Quartz Applications and Chemical Purification Technologies โดย Wu Zhichao และคณะ (Quartz Industry)
*หมายเหตุ: เนื้อหานี้จัดทำขึ้นเพื่อการแลกเปลี่ยนทางวิชาการ กรุณาติดต่อเพื่อลบเนื้อหาหากมีลิขสิทธิ์