در طول دوره «چهاردهمین برنامه پنج ساله»، طبق برنامه استراتژیک «اوج کربن و خنثی بودن کربن» کشور، صنعت فتوولتائیک منجر به توسعه انفجاری خواهد شد. ظهور صنعت فتوولتائیک برای کل زنجیره صنعتی «ثروت ایجاد کرده است». در این زنجیره خیره‌کننده، شیشه فتوولتائیک یک حلقه ضروری است. امروزه، با حمایت از صرفه‌جویی در مصرف انرژی و حفاظت از محیط زیست، تقاضا برای شیشه فتوولتائیک روز به روز در حال افزایش است و عدم تعادل بین عرضه و تقاضا وجود دارد. در عین حال، شن کوارتز کم آهن و فوق سفید، یک ماده مهم برای شیشه فتوولتائیک، نیز افزایش یافته و قیمت آن افزایش یافته و عرضه آن کم است. کارشناسان صنعت پیش‌بینی می‌کنند که شن کوارتز کم آهن برای بیش از 10 سال افزایش بلندمدت بیش از 15 درصدی خواهد داشت. در زیر باد شدید فتوولتائیک، تولید شن کوارتز کم آهن توجه زیادی را به خود جلب کرده است.
۱. شن کوارتز برای شیشه فتوولتائیک
شیشه فتوولتائیک عموماً به عنوان پنل محصورکننده ماژول‌های فتوولتائیک استفاده می‌شود و در تماس مستقیم با محیط خارجی است. مقاومت در برابر آب و هوا، استحکام، انتقال نور و سایر شاخص‌های آن نقش اساسی در طول عمر ماژول‌های فتوولتائیک و راندمان تولید برق در درازمدت دارند. یون‌های آهن موجود در ماسه کوارتز به راحتی رنگ می‌شوند و برای اطمینان از انتقال بالای نور خورشید در شیشه اصلی، میزان آهن شیشه فتوولتائیک کمتر از شیشه معمولی است و باید از ماسه کوارتز کم آهن با خلوص سیلیکون بالا و میزان ناخالصی کم استفاده شود.
در حال حاضر، تعداد کمی ماسه کوارتز کم آهن با کیفیت بالا وجود دارد که استخراج آنها در کشور ما آسان باشد و عمدتاً در هیوان، گوانگشی، فنگیانگ، آنهویی، هاینان و سایر مناطق توزیع می‌شوند. در آینده، با رشد ظرفیت تولید شیشه‌های برجسته فوق سفید برای سلول‌های خورشیدی، ماسه کوارتز با کیفیت بالا با مساحت تولید محدود به یک منبع نسبتاً کمیاب تبدیل خواهد شد. عرضه ماسه کوارتز با کیفیت بالا و پایدار، رقابت شرکت‌های شیشه فتوولتائیک را در آینده محدود خواهد کرد. بنابراین، چگونگی کاهش مؤثر محتوای آهن، آلومینیوم، تیتانیوم و سایر عناصر ناخالصی در ماسه کوارتز و تهیه ماسه کوارتز با خلوص بالا، یک موضوع تحقیقاتی داغ است.
۲. تولید شن کوارتز کم آهن برای شیشه فتوولتائیک
۲.۱ خالص‌سازی ماسه کوارتز برای شیشه فتوولتائیک
در حال حاضر، فرآیندهای سنتی تصفیه کوارتز که به طور کامل در صنعت به کار گرفته می‌شوند شامل مرتب‌سازی، شستشو، خنک‌سازی با کلسیناسیون-آب، سنگ‌زنی، الک کردن، جداسازی مغناطیسی، جداسازی گرانشی، شناورسازی، لیچینگ اسیدی، لیچینگ میکروبی، گاززدایی در دمای بالا و غیره هستند. فرآیندهای تصفیه عمیق شامل برشته کردن کلردار، مرتب‌سازی رنگی تابشی، مرتب‌سازی مغناطیسی ابررسانا، خلاء در دمای بالا و غیره می‌شوند. فرآیند کلی فرآوری تصفیه شن و ماسه کوارتز خانگی نیز از مراحل اولیه "سنگ زنی، جداسازی مغناطیسی، شستشو" به "جداسازی → خردایش درشت → کلسیناسیون → خنک کردن با آب → سنگ زنی → غربالگری → جداسازی مغناطیسی → شناورسازی → اسید" توسعه یافته است. فرآیند فرآوری ترکیبی غوطه وری → شستشو → خشک کردن، همراه با مایکروویو، اولتراسونیک و سایر روش ها برای پیش تصفیه یا تصفیه کمکی، اثر تصفیه را تا حد زیادی بهبود می بخشد. با توجه به نیاز کم آهن شیشه فتوولتائیک، تحقیق و توسعه روش های حذف شن و ماسه کوارتز عمدتاً معرفی شده است.
به طور کلی آهن به شش شکل رایج زیر در سنگ معدن کوارتز وجود دارد:
① به شکل ذرات ریز در خاک رس یا فلدسپات کائولینیزه وجود دارند
② ذرات کوارتز به شکل فیلم اکسید آهن به سطح متصل شده‌اند
③ کانی‌های آهن مانند هماتیت، مگنتیت، اسپکیولاریت، کینیت و غیره یا کانی‌های حاوی آهن مانند میکا، آمفیبول، گارنت و غیره.
④ در حالت غوطه‌وری یا لنزی درون ذرات کوارتز قرار دارد
⑤ به حالت محلول جامد در داخل بلور کوارتز وجود داشته باشد
⑥ مقدار مشخصی از آهن ثانویه در فرآیند خرد کردن و آسیاب کردن مخلوط می‌شود
برای جداسازی مؤثر کانی‌های حاوی آهن از کوارتز، ابتدا لازم است وضعیت وجود ناخالصی‌های آهن در سنگ معدن کوارتز مشخص شود و یک روش فرآوری و فرآیند جداسازی معقول برای دستیابی به حذف ناخالصی‌های آهن انتخاب شود.
(1) فرآیند جداسازی مغناطیسی
فرآیند جداسازی مغناطیسی می‌تواند مواد معدنی ناخالصی مغناطیسی ضعیف مانند هماتیت، لیمونیت و بیوتیت، از جمله ذرات به هم چسبیده را تا حد زیادی حذف کند. با توجه به قدرت مغناطیسی، جداسازی مغناطیسی را می‌توان به جداسازی مغناطیسی قوی و جداسازی مغناطیسی ضعیف تقسیم کرد. جداسازی مغناطیسی قوی معمولاً از جداکننده مغناطیسی قوی مرطوب یا جداکننده مغناطیسی گرادیان بالا استفاده می‌کند.
به طور کلی، ماسه کوارتز حاوی کانی‌های ناخالصی مغناطیسی عمدتاً ضعیف مانند لیمونیت، هماتیت، بیوتیت و غیره، می‌تواند با استفاده از یک دستگاه مغناطیسی قوی از نوع مرطوب با مقداری بالاتر از 8.0×105A/m انتخاب شود. برای کانی‌های مغناطیسی قوی که سنگ آهن در آنها غالب است، بهتر است از یک دستگاه مغناطیسی ضعیف یا یک دستگاه مغناطیسی متوسط برای جداسازی استفاده شود. [2] امروزه، با استفاده از جداکننده‌های مغناطیسی با گرادیان بالا و میدان مغناطیسی قوی، جداسازی و خالص‌سازی مغناطیسی در مقایسه با گذشته به طور قابل توجهی بهبود یافته است. به عنوان مثال، استفاده از یک جداکننده مغناطیسی قوی از نوع غلتک القایی الکترومغناطیسی برای حذف آهن تحت قدرت میدان مغناطیسی 2.2T می‌تواند محتوای Fe2O3 را از 0.002٪ به 0.0002٪ کاهش دهد.
(2) فرآیند شناورسازی
فلوتاسیون فرآیندی برای جداسازی ذرات معدنی از طریق خواص فیزیکی و شیمیایی مختلف روی سطح ذرات معدنی است. وظیفه اصلی آن حذف کانی‌های میکا و فلدسپار مرتبط از ماسه کوارتز است. برای جداسازی فلوتاسیون کانی‌های حاوی آهن و کوارتز، یافتن شکل وقوع ناخالصی‌های آهن و شکل توزیع هر اندازه ذرات، کلید انتخاب فرآیند جداسازی مناسب برای حذف آهن است. اکثر کانی‌های حاوی آهن دارای نقطه الکتریکی صفر بالای 5 هستند که در محیط اسیدی بار مثبت دارند و از نظر تئوری برای استفاده در کلکتورهای آنیونی مناسب هستند.
اسید چرب (صابون)، هیدروکربیل سولفونات یا سولفات می‌توانند به عنوان کلکتور آنیونی برای فلوتاسیون سنگ معدن اکسید آهن استفاده شوند. پیریت می‌تواند فلوتاسیون پیریت از کوارتز در محیط اسیدشویی با عامل فلوتاسیون کلاسیک برای ایزوبوتیل زانتات به همراه پودر سیاه بوتیل آمین (4:1) باشد. دوز مصرفی حدود 200ppmw است.
شناورسازی ایلمنیت معمولاً از اولئات سدیم (0.21 مول بر لیتر) به عنوان عامل شناورسازی برای تنظیم pH در محدوده 4 تا 10 استفاده می‌کند. یک واکنش شیمیایی بین یون‌های اولئات و ذرات آهن روی سطح ایلمنیت رخ می‌دهد تا اولئات آهن تولید شود که به صورت شیمیایی جذب یون‌های اولئات شده و ایلمنیت را با قابلیت شناوری بهتر نگه می‌دارد. جمع‌کننده‌های اسید فسفونیک مبتنی بر هیدروکربن که در سال‌های اخیر توسعه یافته‌اند، گزینش‌پذیری و عملکرد جمع‌آوری خوبی برای ایلمنیت دارند.
(3) فرآیند لیچینگ اسیدی
هدف اصلی فرآیند لیچینگ اسیدی، حذف کانی‌های آهن محلول در محلول اسیدی است. عواملی که بر اثر تصفیه لیچینگ اسیدی تأثیر می‌گذارند شامل اندازه ذرات ماسه کوارتز، دما، زمان، نوع اسید، غلظت اسید، نسبت جامد به مایع و غیره و افزایش دما و محلول اسیدی است. غلظت و کاهش شعاع ذرات کوارتز می‌تواند سرعت لیچینگ و سرعت لیچینگ Al را افزایش دهد. اثر تصفیه یک اسید واحد محدود است و اسید مخلوط اثر هم‌افزایی دارد که می‌تواند سرعت حذف عناصر ناخالصی مانند Fe و K را تا حد زیادی افزایش دهد. اسیدهای معدنی رایج عبارتند از HF، H2SO4، HCl، HNO3، H3PO4، HClO4، H2C2O4، که عموماً دو یا چند مورد از آنها مخلوط شده و به نسبت خاصی استفاده می‌شوند.
اسید اگزالیک یک اسید آلی رایج برای لیچینگ اسیدی است. این اسید می‌تواند با یون‌های فلزی محلول، کمپلکس نسبتاً پایداری تشکیل دهد و ناخالصی‌ها به راحتی شسته می‌شوند. این اسید از مزایای دوز پایین و نرخ بالای حذف آهن برخوردار است. برخی افراد از اولتراسوند برای کمک به خالص‌سازی اسید اگزالیک استفاده می‌کنند و دریافته‌اند که در مقایسه با همزن معمولی و اولتراسوند مخزنی، اولتراسوند پروبی بالاترین نرخ حذف آهن را دارد، مقدار اسید اگزالیک کمتر از 4 گرم در لیتر است و نرخ حذف آهن به 75.4٪ می‌رسد.
وجود اسید رقیق و اسید هیدروفلوئوریک می‌تواند ناخالصی‌های فلزی مانند Fe، Al، Mg را به طور مؤثر حذف کند، اما مقدار اسید هیدروفلوئوریک باید کنترل شود زیرا اسید هیدروفلوئوریک می‌تواند ذرات کوارتز را دچار خوردگی کند. استفاده از انواع مختلف اسیدها نیز بر کیفیت فرآیند تصفیه تأثیر می‌گذارد. در میان آنها، اسید مخلوط HCl و HF بهترین اثر فرآوری را دارد. برخی افراد از عامل شستشوی مخلوط HCl و HF برای تصفیه ماسه کوارتز پس از جداسازی مغناطیسی استفاده می‌کنند. از طریق شستشوی شیمیایی، مقدار کل عناصر ناخالصی 40.71 میکروگرم بر گرم است و خلوص SiO2 به 99.993 درصد وزنی می‌رسد.
(4) آبشویی میکروبی
میکروارگانیسم‌ها برای شستشوی آهن لایه نازک یا آغشته کردن آهن روی سطح ذرات ماسه کوارتز استفاده می‌شوند که روشی است که اخیراً برای حذف آهن توسعه یافته است. مطالعات خارجی نشان داده است که استفاده از آسپرژیلوس نایجر، پنی سیلیوم، سودوموناس، پلی میکسین باسیلوس و سایر میکروارگانیسم‌ها برای شستشوی آهن روی سطح فیلم کوارتز نتایج خوبی داشته است که از این میان، اثر شستشوی آهن آسپرژیلوس نایجر بهینه است. میزان حذف Fe2O3 عمدتاً بالای 75٪ و عیار کنسانتره Fe2O3 به 0.007٪ می‌رسد. و مشخص شد که اثر شستشوی آهن با پیش کشت اکثر باکتری‌ها و کپک‌ها بهتر خواهد بود.
۲.۲ سایر پیشرفت‌های تحقیقاتی ماسه کوارتز برای شیشه فتوولتائیک
به منظور کاهش میزان اسید، کاهش سختی تصفیه فاضلاب و سازگاری با محیط زیست، پنگ شو [5] و همکارانش روشی را برای تهیه ماسه کوارتز کم آهن 10ppm با فرآیندی بدون اسیدشویی فاش کردند: کوارتز رگه ای طبیعی به عنوان ماده اولیه و خردایش سه مرحله ای استفاده می شود. مرحله اول آسیاب و مرحله دوم طبقه بندی می تواند دانه های 0.1 تا 0.7 میلی متر را بدست آورد. دانه ها با مرحله اول جداسازی مغناطیسی و مرحله دوم حذف مغناطیسی قوی آهن مکانیکی و مواد معدنی حاوی آهن جدا می شوند تا ماسه جداسازی مغناطیسی به دست آید. جداسازی مغناطیسی ماسه با شناورسازی مرحله دوم به دست می آید. محتوای Fe2O3 کمتر از 10ppm ماسه کوارتز کم آهن است. شناورسازی از H2SO4 به عنوان تنظیم کننده استفاده می کند، pH را برابر با 2 تا 3 تنظیم می کند، از اولئات سدیم و پروپیلن دی آمین مبتنی بر روغن نارگیل به عنوان جمع کننده استفاده می کند. ماسه کوارتز تهیه شده با SiO2≥99.9% و Fe2O3≤10ppm، الزامات مواد اولیه سیلیسی مورد نیاز برای شیشه نوری، شیشه نمایشگر فوتوالکتریک و شیشه کوارتز را برآورده می‌کند.
از سوی دیگر، با کاهش منابع کوارتز با کیفیت بالا، استفاده جامع از منابع کم‌مصرف توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده است. شی انجون از شرکت طراحی و تحقیقات صنعت شیشه بنگبو مصالح ساختمانی چین، از باطله‌های کائولن برای تهیه ماسه کوارتز کم‌آهن برای شیشه فتوولتائیک استفاده کرد. ترکیب معدنی اصلی باطله‌های کائولن فوجیان، کوارتز است که حاوی مقدار کمی از مواد معدنی ناخالصی مانند کائولینیت، میکا و فلدسپات است. پس از پردازش باطله‌های کائولن با فرآیند غنی‌سازی "سنگ‌زنی-طبقه‌بندی هیدرولیکی-جداسازی مغناطیسی-فلوتاسیون"، محتوای ذرات با اندازه 0.6 تا 0.125 میلی‌متر بیشتر از 95٪، SiO2 برابر با 99.62٪، Al2O3 برابر با 0.065٪ و Fe2O3 برابر با 92×10-6 است که الزامات کیفیت ماسه کوارتز کم‌آهن برای شیشه فتوولتائیک را برآورده می‌کند.
شائو ویهوا و دیگران از موسسه بهره‌برداری جامع از منابع معدنی ژنگژو، آکادمی علوم زمین‌شناسی چین، یک اختراع ثبت شده منتشر کردند: روشی برای تهیه ماسه کوارتز با خلوص بالا از باطله‌های کائولن. مراحل روش: الف. باطله‌های کائولن به عنوان سنگ معدن خام استفاده می‌شوند که پس از هم زدن و سابیدن، الک می‌شوند تا ماده‌ای با خلوص +0.6 میلی‌متر به دست آید. ب. ماده +0.6 میلی‌متر آسیاب و طبقه‌بندی می‌شود و ماده معدنی با خلوص +0.4 میلی‌متر و 0.1 میلی‌متر تحت عملیات جداسازی مغناطیسی قرار می‌گیرد. برای به دست آوردن مواد مغناطیسی و غیرمغناطیسی، مواد غیرمغناطیسی وارد عملیات جداسازی ثقلی می‌شوند تا کانی‌های سبک جداسازی ثقلی و کانی‌های سنگین جداسازی ثقلی به دست آیند و کانی‌های سبک جداسازی ثقلی وارد عملیات خردایش مجدد می‌شوند تا کانی‌های +0.1 میلی‌متری به دست آیند. ج. کانی با خلوص +0.1 میلی‌متر وارد عملیات فلوتاسیون می‌شود تا کنسانتره فلوتاسیون به دست آید. آب بالایی کنسانتره فلوتاسیون حذف شده و سپس به صورت اولتراسونیک ترشی می‌شود و سپس الک می‌شود تا ماده درشت +0.1 میلی‌متری به عنوان ماسه کوارتز با خلوص بالا به دست آید. روش اختراع نه تنها می‌تواند محصولات کنسانتره کوارتز با کیفیت بالا را به دست آورد، بلکه زمان پردازش کوتاه، جریان فرآیند ساده، مصرف انرژی کم و کیفیت بالای کنسانتره کوارتز به دست آمده را نیز داراست که می‌تواند الزامات کیفیت کوارتز با خلوص بالا را برآورده کند.
باطله‌های کائولن حاوی مقدار زیادی منابع کوارتز هستند. از طریق فرآوری، خالص‌سازی و فرآوری عمیق، می‌توانند الزامات استفاده از مواد اولیه شیشه فوق سفید فتوولتائیک را برآورده کنند. این امر همچنین ایده جدیدی برای استفاده جامع از منابع باطله کائولن ارائه می‌دهد.
۳. بررسی اجمالی بازار شن کوارتز کم آهن برای شیشه فتوولتائیک
از یک سو، در نیمه دوم سال 2020، ظرفیت تولید محدود به توسعه، نمی‌تواند با تقاضای انفجاری در شرایط رونق بالا مقابله کند. عرضه و تقاضای شیشه فتوولتائیک نامتعادل است و قیمت آن در حال افزایش است. طبق فراخوان مشترک بسیاری از شرکت‌های ماژول فتوولتائیک، در دسامبر 2020، وزارت صنایع و فناوری اطلاعات سندی را منتشر کرد که در آن تصریح شده است که پروژه شیشه نورد فتوولتائیک ممکن است طرح جایگزینی ظرفیت را تدوین نکند. تحت تأثیر سیاست جدید، نرخ رشد تولید شیشه فتوولتائیک از سال 2021 افزایش خواهد یافت. طبق اطلاعات عمومی، ظرفیت شیشه نورد فتوولتائیک با یک برنامه مشخص برای تولید در 21/22 به 22250/26590 تن در روز خواهد رسید که نرخ رشد سالانه آن 68.4/48.6 درصد خواهد بود. در صورت تضمین‌های سیاستی و تقاضا، انتظار می‌رود شن فتوولتائیک رشد انفجاری را به همراه داشته باشد.
ظرفیت تولید صنعت شیشه فتوولتائیک 2015-2022
از سوی دیگر، افزایش قابل توجه ظرفیت تولید شیشه فتوولتائیک ممکن است باعث شود که عرضه شن سیلیس کم آهن از عرضه فراتر رود، که به نوبه خود تولید واقعی ظرفیت تولید شیشه فتوولتائیک را محدود می‌کند. طبق آمار، از سال ۲۰۱۴، تولید شن کوارتز داخلی کشور من به طور کلی کمی کمتر از تقاضای داخلی بوده است و عرضه و تقاضا تعادل تنگاتنگی را حفظ کرده‌اند.
در عین حال، منابع پلاسر کوارتز کم آهن داخلی کشور من کمیاب است و در هیوآن گوانگدونگ، بیهای گوانگشی، فنگیانگ آنهویی و دونگهای جیانگ سو متمرکز شده است و مقدار زیادی از آنها نیاز به واردات دارند.
شن کوارتز فوق سفید کم آهن یکی از مواد اولیه مهم (که حدود 25٪ از هزینه مواد اولیه را تشکیل می‌دهد) در سال‌های اخیر است. قیمت آن نیز رو به افزایش بوده است. در گذشته، برای مدت طولانی حدود 200 یوان در هر تن بوده است. پس از شیوع بیماری همه‌گیر سه ماهه اول در 20 سال گذشته، از سطح بالایی کاهش یافته است و در حال حاضر عملکرد پایداری را حفظ کرده است.
در سال ۲۰۲۰، تقاضای کلی کشور من برای ماسه کوارتز ۹۰.۹۳ میلیون تن، میزان تولید ۸۷.۶۵ میلیون تن و واردات خالص ۳.۲۷۸ میلیون تن خواهد بود. طبق اطلاعات عمومی، میزان سنگ کوارتز در ۱۰۰ کیلوگرم شیشه مذاب حدود ۷۲.۲ کیلوگرم است. طبق طرح توسعه فعلی، افزایش ظرفیت شیشه فتوولتائیک در سال‌های ۲۰۲۱/۲۰۲۲ ممکن است به ۳.۲۳/۲۴۵۰۰ تن در روز برسد، طبق تولید سالانه محاسبه شده در یک دوره ۳۶۰ روزه، کل تولید با تقاضای جدید افزایش یافته برای ماسه سیلیس کم آهن به میزان ۸۳۶/۶۳۵ میلیون تن در سال مطابقت خواهد داشت، یعنی تقاضای جدید برای ماسه سیلیس کم آهن که توسط شیشه فتوولتائیک در سال‌های ۲۰۲۱/۲۰۲۲ ایجاد شده است، ۹.۲٪/۷.۰٪ از تقاضا را برای ماسه کوارتز در سال ۲۰۲۰ تشکیل می‌دهد. با توجه به اینکه ماسه سیلیسی کم آهن تنها بخشی از کل تقاضای ماسه سیلیسی را تشکیل می‌دهد، فشار عرضه و تقاضا بر ماسه سیلیسی کم آهن ناشی از سرمایه‌گذاری گسترده در ظرفیت تولید شیشه فتوولتائیک ممکن است بسیار بیشتر از فشار بر کل صنعت ماسه کوارتز باشد.
—مقاله از شبکه پودر
زمان ارسال: ۱۱ دسامبر ۲۰۲۱