نظرة عامة على إنتاج وتسويق رمال الكوارتز منخفضة الحديد المستخدمة في صناعة الزجاج الكهروضوئي

خلال فترة "الخطة الخمسية الرابعة عشرة"، ووفقًا للخطة الاستراتيجية الوطنية "لتحقيق ذروة انبعاثات الكربون والحياد الكربوني"، سيشهد قطاع الطاقة الشمسية الكهروضوئية نموًا هائلًا. وقد ساهم ازدهار هذا القطاع في تحقيق ازدهار شامل لسلسلة التوريد الصناعية. ويُعدّ زجاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية حلقةً أساسيةً في هذه السلسلة المزدهرة. ومع تزايد الاهتمام بترشيد استهلاك الطاقة وحماية البيئة، يتزايد الطلب على هذا الزجاج يومًا بعد يوم، مما يُؤدي إلى اختلال التوازن بين العرض والطلب. في الوقت نفسه، ارتفع الطلب على رمال الكوارتز منخفضة الحديد والبيضاء جدًا، وهي مادة أساسية في صناعة زجاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية، مما أدى إلى ارتفاع أسعارها ونقص المعروض منها. ويتوقع خبراء الصناعة أن يشهد سوق رمال الكوارتز منخفضة الحديد نموًا طويل الأجل يتجاوز 15% على مدى أكثر من عشر سنوات. وفي ظل هذا النمو القوي للطاقة الشمسية الكهروضوئية، حظي إنتاج رمال الكوارتز منخفضة الحديد باهتمام كبير.

1. رمل الكوارتز للزجاج الكهروضوئي

يُستخدم الزجاج الكهروضوئي عادةً كغلاف للوحدات الكهروضوئية، وهو على اتصال مباشر بالبيئة الخارجية. وتلعب مقاومته للعوامل الجوية، وقوته، ونفاذيته للضوء، وغيرها من الخصائص، دورًا محوريًا في عمر الوحدات الكهروضوئية وكفاءة توليد الطاقة على المدى الطويل. ونظرًا لسهولة تلطيخ أيونات الحديد الموجودة في رمل الكوارتز، ولضمان نفاذية عالية للضوء الشمسي، يجب أن يكون محتوى الحديد في الزجاج الكهروضوئي أقل من محتواه في الزجاج العادي، وأن يُستخدم رمل كوارتز منخفض الحديد ذو نقاء سيليكوني عالٍ ومحتوى شوائب منخفض.

يوجد حاليًا عدد قليل من رمال الكوارتز عالية الجودة منخفضة الحديد سهلة الاستخراج في بلادنا، وتتركز بشكل رئيسي في مناطق هيوان، وقوانغشي، وفينغيانغ، وآنهوي، وهاينان، وغيرها. ومع ازدياد الطاقة الإنتاجية للزجاج الأبيض الناصع المستخدم في الخلايا الشمسية مستقبلًا، ستصبح رمال الكوارتز عالية الجودة، ذات مناطق الإنتاج المحدودة، موردًا نادرًا نسبيًا. وسيؤدي نقص رمال الكوارتز عالية الجودة والمستقرة إلى الحد من قدرة شركات الزجاج الكهروضوئي على المنافسة. لذا، يُعدّ إيجاد طرق فعّالة لتقليل محتوى الحديد والألومنيوم والتيتانيوم وغيرها من الشوائب في رمال الكوارتز، وإنتاج رمال كوارتز عالية النقاء، موضوعًا بحثيًا هامًا.

2. إنتاج رمل الكوارتز منخفض الحديد للزجاج الكهروضوئي

2.1 تنقية رمل الكوارتز للزجاج الكهروضوئي

في الوقت الحاضر، تشمل عمليات تنقية الكوارتز التقليدية التي يتم تطبيقها بشكل ناضج في الصناعة الفرز، والتنظيف، والتكليس والتبريد بالماء، والطحن، والغربلة، والفصل المغناطيسي، والفصل بالجاذبية، والتعويم، والترشيح الحمضي، والترشيح الميكروبي، وإزالة الغازات بدرجة حرارة عالية، وما إلى ذلك. وتشمل عمليات التنقية العميقة التحميص بالكلور، والفرز اللوني بالإشعاع، والفرز المغناطيسي فائق التوصيل، والتفريغ بدرجة حرارة عالية، وما إلى ذلك. تطورت عملية معالجة رمال الكوارتز المحلية بشكل عام من المراحل الأولية "الطحن، الفصل المغناطيسي، الغسل" إلى المراحل التالية: "الفصل ← التكسير الخشن ← التكليس ← التبريد بالماء ← الطحن ← الغربلة ← الفصل المغناطيسي ← التعويم ← المعالجة الحمضية". وقد ساهمت عملية المعالجة المركبة التي تشمل الغمر ← الغسل ← التجفيف، بالإضافة إلى استخدام الميكروويف والموجات فوق الصوتية وغيرها من الوسائل للمعالجة المسبقة أو التنقية المساعدة، في تحسين كفاءة التنقية بشكل كبير. ونظرًا لمتطلبات انخفاض نسبة الحديد في زجاج الخلايا الكهروضوئية، فقد تم التركيز بشكل أساسي على البحث والتطوير في طرق إزالة رمال الكوارتز.

يوجد الحديد عموماً في خام الكوارتز في الأشكال الستة الشائعة التالية:

① توجد على شكل جزيئات دقيقة في الطين أو الفلسبار الكاوليني
② ملتصق بسطح جزيئات الكوارتز على شكل طبقة من أكسيد الحديد
③ المعادن الحديدية مثل الهيماتيت، والماغنيتيت، والسبيكولاريت، والكينيت، وما إلى ذلك، أو المعادن المحتوية على الحديد مثل الميكا، والأمفيبول، والجارنيت، وما إلى ذلك.
④ يكون في حالة غمر أو عدسة داخل جزيئات الكوارتز
⑤ توجد في حالة محلول صلب داخل بلورة الكوارتز
⑥ سيتم خلط كمية معينة من الحديد الثانوي في عملية التكسير والطحن

لفصل المعادن المحتوية على الحديد عن الكوارتز بشكل فعال، من الضروري أولاً تحديد حالة وجود شوائب الحديد في خام الكوارتز واختيار طريقة إثراء معقولة وعملية فصل لتحقيق إزالة شوائب الحديد.

(1) عملية الفصل المغناطيسي

تُتيح عملية الفصل المغناطيسي إزالة المعادن الشائبة ذات المغناطيسية الضعيفة، مثل الهيماتيت والليمونيت والبيوتيت، بما في ذلك الجزيئات المتصلة، بأقصى قدر من الكفاءة. وبناءً على قوة المجال المغناطيسي، يُقسم الفصل المغناطيسي إلى فصل مغناطيسي قوي وفصل مغناطيسي ضعيف. ويُستخدم في الفصل المغناطيسي القوي عادةً فاصل مغناطيسي قوي رطب أو فاصل مغناطيسي عالي التدرج.

بشكل عام، يمكن فصل رمال الكوارتز التي تحتوي أساسًا على معادن شوائب مغناطيسية ضعيفة، مثل الليمونيت والهيماتيت والبيوتيت، باستخدام آلة مغناطيسية قوية رطبة عند قيمة تزيد عن 8.0 × 10⁵ أمبير/متر. أما بالنسبة للمعادن المغناطيسية القوية التي يهيمن عليها خام الحديد، فمن الأفضل استخدام آلة مغناطيسية ضعيفة أو متوسطة القوة للفصل. [2] في الوقت الحاضر، ومع استخدام الفواصل المغناطيسية ذات المجال المغناطيسي القوي والتدرج العالي، تحسّن الفصل والتنقية المغناطيسية بشكل ملحوظ مقارنةً بالماضي. على سبيل المثال، يمكن استخدام فاصل مغناطيسي قوي من نوع الأسطوانة يعمل بالحث الكهرومغناطيسي لإزالة الحديد تحت قوة مجال مغناطيسي تبلغ 2.2 تسلا، مما يقلل محتوى Fe₂O₃ من 0.002% إلى 0.0002%.

(2) عملية التعويم

التعويم عملية لفصل جزيئات المعادن بناءً على خصائصها الفيزيائية والكيميائية السطحية. وتتمثل وظيفتها الرئيسية في إزالة معادن الميكا والفلسبار من رمال الكوارتز. ولفصل المعادن المحتوية على الحديد عن الكوارتز بالتعويم، يُعدّ تحديد شكل وجود شوائب الحديد وتوزيع أحجام الجزيئات المختلفة عاملاً أساسياً لاختيار عملية الفصل المناسبة. تتميز معظم المعادن المحتوية على الحديد بنقطة تعادل كهربائي أعلى من 5، مما يجعلها موجبة الشحنة في الوسط الحمضي، وبالتالي مناسبة نظرياً لاستخدام جامعات الأيونات السالبة.

يمكن استخدام الأحماض الدهنية (الصابون)، أو هيدروكربونات السلفونات، أو الكبريتات كجامع أنيوني لعملية تعويم خام أكسيد الحديد. ويمكن تعويم البيريت من الكوارتز في بيئة تخليل باستخدام عامل التعويم التقليدي المكون من إيزوبوتيل زانثات ومسحوق بيوتيل أمين الأسود (بنسبة 4:1). تبلغ الجرعة حوالي 200 جزء في المليون وزناً.

تستخدم عملية تعويم الإلمنيت عادةً أوليات الصوديوم (0.21 مول/لتر) كعامل تعويم لضبط درجة الحموضة بين 4 و10. يحدث تفاعل كيميائي بين أيونات الأوليات وجزيئات الحديد على سطح الإلمنيت لإنتاج أوليات الحديد، الذي يُمتص كيميائيًا. تحافظ أيونات الأوليات على قابلية تعويم الإلمنيت بشكل أفضل. تتميز مُجمِّعات حمض الفوسفونيك القائمة على الهيدروكربونات، والتي طُوِّرت في السنوات الأخيرة، بانتقائية عالية وأداء تجميع ممتاز للإلمنيت.

(3) عملية الترشيح الحمضي

الهدف الرئيسي من عملية الترشيح الحمضي هو إزالة معادن الحديد الذائبة من المحلول الحمضي. تشمل العوامل المؤثرة على فعالية الترشيح الحمضي حجم جزيئات رمل الكوارتز، ودرجة الحرارة، والمدة، ونوع الحمض، وتركيزه، ونسبة المادة الصلبة إلى السائلة، وغيرها. يؤدي رفع درجة الحرارة وزيادة تركيز المحلول الحمضي، بالإضافة إلى تقليل نصف قطر جزيئات الكوارتز، إلى زيادة معدل الترشيح، وخاصةً معدل ترشيح الألومنيوم. تكون فعالية الترشيح باستخدام حمض واحد محدودة، بينما يُظهر مزيج الأحماض تأثيرًا تآزريًا، مما يزيد بشكل كبير من معدل إزالة العناصر الشائبة مثل الحديد والبوتاسيوم. من الأحماض غير العضوية الشائعة: حمض الهيدروفلوريك (HF)، وحمض الكبريتيك (H₂SO₄)، وحمض الهيدروكلوريك (HCl)، وحمض النيتريك (HNO₃)، وحمض الفوسفوريك (H₃PO₄)، وحمض البيركلوريك (HClO₄)، وحمض الأكساليك (H₂C₂O₄)، وعادةً ما يتم خلط اثنين أو أكثر منها بنسب محددة.

حمض الأكساليك حمض عضوي شائع الاستخدام في عمليات استخلاص المعادن بالحمض. فهو يُشكّل مُركّباً مستقراً نسبياً مع أيونات المعادن الذائبة، مما يُسهّل إزالة الشوائب. ويتميز بانخفاض الجرعة وارتفاع معدل إزالة الحديد. وقد استخدم البعض الموجات فوق الصوتية للمساعدة في تنقية حمض الأكساليك، ووجدوا أن استخدام الموجات فوق الصوتية مع المسبار يُحقق أعلى معدل لإزالة الحديد مقارنةً بالتحريك التقليدي واستخدام الموجات فوق الصوتية في الخزانات، حيث تصل نسبة إزالة الحديد إلى 75.4% عند استخدام كمية من حمض الأكساليك أقل من 4 غ/لتر.

يُمكن استخدام الأحماض المخففة وحمض الهيدروفلوريك لإزالة الشوائب المعدنية مثل الحديد والألومنيوم والمغنيسيوم بكفاءة، ولكن يجب التحكم بكمية حمض الهيدروفلوريك لأنه قد يُسبب تآكل جزيئات الكوارتز. كما يؤثر استخدام أنواع مختلفة من الأحماض على جودة عملية التنقية. ومن بينها، يُعد مزيج حمض الهيدروكلوريك وحمض الهيدروفلوريك الأكثر فعالية. يستخدم البعض مزيج حمض الهيدروكلوريك وحمض الهيدروفلوريك كعامل ترشيح لتنقية رمال الكوارتز بعد الفصل المغناطيسي. ومن خلال الترشيح الكيميائي، بلغت الكمية الإجمالية للعناصر الشائبة 40.71 ميكروغرام/غرام، ووصلت نقاوة ثاني أكسيد السيليكون إلى 99.993% وزناً.

(4) الترشيح الميكروبي

تُستخدم الكائنات الدقيقة في استخلاص الحديد من طبقات رقيقة أو تشريب الحديد على سطح جزيئات رمل الكوارتز، وهي تقنية حديثة لإزالة الحديد. وقد أظهرت دراسات أجنبية أن استخدام فطر الرشاشية السوداء (Aspergillus niger)، وفطر البنسيليوم (Penicillium)، وبكتيريا الزائفة (Pseudomonas)، وبكتيريا العصوية المقاومة للبوليميكسين (Polymyxin Bacillus)، وغيرها من الكائنات الدقيقة، في استخلاص الحديد من سطح طبقة الكوارتز قد حقق نتائج جيدة، حيث كان تأثير فطر الرشاشية السوداء هو الأمثل. وبلغ معدل إزالة أكسيد الحديد الثلاثي (Fe2O3) في معظم الحالات أكثر من 75%، بينما وصل تركيز أكسيد الحديد الثلاثي إلى 0.007%. كما وُجد أن استخلاص الحديد يكون أكثر فعالية عند استخدام الزراعة المسبقة لمعظم أنواع البكتيريا والفطريات.

2.2 التقدم البحثي الآخر في مجال رمل الكوارتز للزجاج الكهروضوئي

بهدف تقليل كمية الحمض، وتبسيط معالجة مياه الصرف الصحي، والحفاظ على البيئة، كشف بنغ شو وآخرون [5] عن طريقة لتحضير رمل الكوارتز منخفض الحديد بنسبة 10 جزء في المليون باستخدام عملية غير تخليل: حيث يُستخدم عروق الكوارتز الطبيعية كمادة خام، ويتم التكسير على ثلاث مراحل. في المرحلة الأولى، يتم الطحن، وفي المرحلة الثانية، يتم التصنيف للحصول على حبيبات بحجم 0.1-0.7 مم. يتم فصل الحبيبات في المرحلة الأولى عن طريق الفصل المغناطيسي، وفي المرحلة الثانية، يتم إزالة الحديد والمعادن الحاملة للحديد مغناطيسيًا للحصول على رمل الفصل المغناطيسي. يتم الحصول على الفصل المغناطيسي للرمل في المرحلة الثانية عن طريق التعويم. محتوى Fe2O3 أقل من 10 جزء في المليون في رمل الكوارتز منخفض الحديد، ويتم استخدام H2SO4 كمنظم، ويتم ضبط الرقم الهيدروجيني بين 2 و3، ويتم استخدام أوليات الصوديوم وبروبيلين ديامين المشتق من زيت جوز الهند كمجمعات. إن رمل الكوارتز المحضر SiO2≥99.9%، Fe2O3≤10ppm، يفي بمتطلبات المواد الخام السيليسية المطلوبة للزجاج البصري، وزجاج العرض الكهروضوئي، وزجاج الكوارتز.

من جهة أخرى، ومع استنزاف موارد الكوارتز عالية الجودة، حظي الاستخدام الأمثل للموارد منخفضة الجودة باهتمام واسع. استخدم شي إنجون، من معهد بنغبو لتصميم وبحوث صناعة الزجاج التابع لشركة مواد البناء الصينية، مخلفات الكاولين لتحضير رمل كوارتز منخفض الحديد يُستخدم في صناعة الزجاج الكهروضوئي. يتكون رمل الكوارتز بشكل أساسي من الكوارتز، ويحتوي على كمية قليلة من المعادن الشائبة مثل الكاولينيت والميكا والفلسبار. بعد معالجة مخلفات الكاولين بعملية التخصيب "الطحن - التصنيف الهيدروليكي - الفصل المغناطيسي - التعويم"، بلغت نسبة حجم الجسيمات من 0.6 إلى 0.125 مم أكثر من 95%، ونسبة SiO2 99.62%، ونسبة Al2O3 0.065%، ونسبة Fe2O3 92×10⁻⁶، وبذلك يفي رمل الكوارتز الناعم بمتطلبات الجودة لرمل الكوارتز منخفض الحديد المستخدم في صناعة الزجاج الكهروضوئي.
نشر شاو ويهوا وآخرون من معهد تشنغتشو للاستخدام الشامل للموارد المعدنية التابع للأكاديمية الصينية للعلوم الجيولوجية، براءة اختراع لطريقة تحضير رمال كوارتز عالية النقاء من مخلفات الكاولين. وتتلخص خطوات الطريقة فيما يلي: أ. تُستخدم مخلفات الكاولين كمادة خام، حيث تُغربل بعد تقليبها وفركها للحصول على مادة بحجم أكبر من 0.6 مم؛ ب. تُطحن المادة بحجم أكبر من 0.6 مم وتُصنف، ثم تُخضع المادة المعدنية بحجم 0.4 مم و0.1 مم لعملية فصل مغناطيسي. وللحصول على مواد مغناطيسية وغير مغناطيسية، تُخضع المواد غير المغناطيسية لعملية فصل بالجاذبية للحصول على معادن خفيفة ومعادن ثقيلة، ثم تُعاد طحن المعادن الخفيفة المفصولة بالجاذبية لغربلتها والحصول على معادن بحجم أكبر من 0.1 مم؛ ج. تُخضع المعادن بحجم أكبر من 0.1 مم لعملية تعويم للحصول على مركز التعويم. تُزال الطبقة العليا من الماء في مركز التعويم، ثم تُعالج بالموجات فوق الصوتية، ثم تُغربل للحصول على مادة خشنة بحجم 0.1 مم أو أكبر، تُعرف باسم رمل الكوارتز عالي النقاء. لا تقتصر مزايا طريقة هذا الاختراع على إنتاج مركزات كوارتز عالية الجودة فحسب، بل تتميز أيضًا بقصر وقت المعالجة، وبساطة خطوات العملية، وانخفاض استهلاك الطاقة، وجودة عالية لمركز الكوارتز الناتج، مما يلبي متطلبات الجودة العالية للكوارتز.

تحتوي مخلفات الكاولين على كميات كبيرة من موارد الكوارتز. ومن خلال عمليات التخصيب والتنقية والمعالجة المتقدمة، يمكن أن تلبي هذه المخلفات متطلبات استخدامها كمواد خام للزجاج فائق البياض المستخدم في الخلايا الكهروضوئية. وهذا يوفر فكرة جديدة للاستخدام الأمثل لموارد مخلفات الكاولين.

3. نظرة عامة على سوق رمل الكوارتز منخفض الحديد المستخدم في صناعة الزجاج الكهروضوئي

من جهة، في النصف الثاني من عام 2020، لم تستطع الطاقة الإنتاجية المحدودة بالتوسع تلبية الطلب المتزايد في ظل الازدهار الاقتصادي. وقد أدى ذلك إلى اختلال التوازن بين العرض والطلب على زجاج الخلايا الكهروضوئية، وارتفاع أسعاره بشكل حاد. وبناءً على دعوة مشتركة من العديد من شركات تصنيع وحدات الخلايا الكهروضوئية، أصدرت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات في ديسمبر 2020 وثيقة توضح أنه لا يجوز وضع خطة لاستبدال الطاقة الإنتاجية لمشروع زجاج الخلايا الكهروضوئية المدرفل. ونتيجةً لهذه السياسة الجديدة، سيزداد معدل نمو إنتاج زجاج الخلايا الكهروضوئية اعتبارًا من عام 2021. ووفقًا للمعلومات المتاحة، ستصل الطاقة الإنتاجية لزجاج الخلايا الكهروضوئية المدرفل، مع خطة إنتاج واضحة لعامي 2021/2022، إلى 22250/26590 طن/يوم، بمعدل نمو سنوي قدره 68.4%/48.6%. وفي ظل ضمانات السياسة والطلب، من المتوقع أن يشهد زجاج الخلايا الكهروضوئية نموًا هائلاً.

الطاقة الإنتاجية لصناعة الزجاج الكهروضوئي 2015-2022

من جهة أخرى، قد يؤدي الارتفاع الكبير في الطاقة الإنتاجية للزجاج الكهروضوئي إلى تجاوز المعروض من رمال السيليكا منخفضة الحديد للعرض، مما يحد بدوره من الإنتاج الفعلي للزجاج الكهروضوئي. وتشير الإحصاءات إلى أنه منذ عام ٢٠١٤، كان إنتاج رمال الكوارتز المحلي في بلادي أقل بقليل من الطلب المحلي، مما حافظ على توازن دقيق بين العرض والطلب.

في الوقت نفسه، فإن موارد الكوارتز الغريني منخفض الحديد في بلدي نادرة، وتتركز في هيوان في قوانغدونغ، وبيههاي في قوانغشي، وفينغيانغ في آنهوي، ودونغهاي في جيانغسو، وهناك حاجة لاستيراد كمية كبيرة منها.

يُعدّ رمل الكوارتز الأبيض فائق البياض قليل الحديد أحد أهم المواد الخام (يمثل حوالي 25% من تكلفة المواد الخام) في السنوات الأخيرة، وقد شهد سعره ارتفاعًا ملحوظًا. في السابق، استقر سعره عند حوالي 200 يوان للطن لفترة طويلة، ثم انخفض بعد تفشي جائحة كورونا في الربع الأول من العام الماضي، ويحافظ حاليًا على استقرار سعره.

في عام 2020، بلغ إجمالي الطلب على رمال الكوارتز في بلادي 90.93 مليون طن، بينما بلغ الإنتاج 87.65 مليون طن، وصافي الواردات 3.278 مليون طن. ووفقًا للمعلومات المتاحة، تبلغ كمية حجر الكوارتز في 100 كيلوغرام من الزجاج المصهور حوالي 72.2 كيلوغرام. وبحسب خطة التوسع الحالية، قد تصل الزيادة في طاقة إنتاج الزجاج الكهروضوئي في عامي 2021/2022 إلى 3.23/24500 طن/يوم. وبناءً على الإنتاج السنوي المحسوب على مدى 360 يومًا، سيتوافق إجمالي الإنتاج مع الزيادة الجديدة في الطلب على رمال السيليكا منخفضة الحديد، والتي تبلغ 836/635 مليون طن/سنة. أي أن الطلب الجديد على رمال السيليكا منخفضة الحديد الناتج عن إنتاج الزجاج الكهروضوئي في عامي 2021/2022 سيشكل 9.2%/7.0% من إجمالي الطلب على رمال الكوارتز في عام 2020. وبالنظر إلى أن رمال السيليكا منخفضة الحديد لا تمثل سوى جزء من إجمالي الطلب على رمال السيليكا، فإن ضغط العرض والطلب على رمال السيليكا منخفضة الحديد الناتج عن الاستثمار واسع النطاق في قدرة إنتاج الزجاج الكهروضوئي قد يكون أعلى بكثير من الضغط على صناعة رمال الكوارتز بشكل عام.

—مقال من شبكة باودر