Tokom perioda „14. petogodišnjeg plana“, prema državnom strateškom planu „vrhunca ugljika i ugljične neutralnosti“, fotonaponska industrija će dovesti do eksplozivnog razvoja. Pojava fotonaponske industrije „stvorila je bogatstvo“ za cijeli industrijski lanac. U ovom blistavom lancu, fotonaponsko staklo je nezamjenjiva karika. Danas, zalažući se za uštedu energije i zaštitu okoliša, potražnja za fotonaponskim staklom raste iz dana u dan, a postoji neravnoteža između ponude i potražnje. Istovremeno, kvarcni pijesak s niskim udjelom željeza i ultra-bijeli kvarcni pijesak, važan materijal za fotonaponsko staklo, također je porastao, a cijena se povećala i ponuda je u nedostatku. Stručnjaci iz industrije predviđaju da će kvarcni pijesak s niskim udjelom željeza imati dugoročni porast od preko 15% u periodu dužem od 10 godina. Pod jakim vjetrom fotonaponske energije, proizvodnja kvarcnog pijeska s niskim udjelom željeza privukla je mnogo pažnje.
1. Kvarcni pijesak za fotonaponsko staklo
Fotonaponsko staklo se uglavnom koristi kao panel za enkapsulaciju fotonaponskih modula i u direktnom je kontaktu s vanjskim okruženjem. Njegova otpornost na vremenske uvjete, čvrstoća, propusnost svjetlosti i drugi pokazatelji igraju centralnu ulogu u vijeku trajanja fotonaponskih modula i dugoročnoj učinkovitosti proizvodnje energije. Željezni ioni u kvarcnom pijesku lako se boje, a kako bi se osigurala visoka propusnost sunčeve svjetlosti originalnog stakla, sadržaj željeza u fotonaponskom staklu je niži od sadržaja običnog stakla, te se mora koristiti kvarcni pijesak s niskim udjelom željeza, visokom čistoćom silicija i niskim udjelom nečistoća.
Trenutno u našoj zemlji postoji malo visokokvalitetnih kvarcnih pijesaka s niskim sadržajem željeza koji se lako iskopavaju, a uglavnom su rasprostranjeni u Heyuanu, Guangxiju, Fengyangu, Anhuiju, Hainanu i drugim mjestima. U budućnosti, s rastom proizvodnih kapaciteta ultra-bijelog reljefnog stakla za solarne ćelije, visokokvalitetni kvarcni pijesak s ograničenim proizvodnim područjem postat će relativno rijedak resurs. Ponuda visokokvalitetnog i stabilnog kvarcnog pijeska ograničit će konkurentnost kompanija za fotonaponsko staklo u budućnosti. Stoga je pitanje kako efikasno smanjiti sadržaj željeza, aluminija, titana i drugih nečistoća u kvarcnom pijesku i pripremiti visokočisti kvarcni pijesak vruća tema istraživanja.
2. Proizvodnja kvarcnog pijeska sa niskim sadržajem željeza za fotonaponsko staklo
2.1 Pročišćavanje kvarcnog pijeska za fotonaponsko staklo
Trenutno, tradicionalni procesi prečišćavanja kvarca koji se zrelo primjenjuju u industriji uključuju sortiranje, ribanje, gašenje kalcinacijom u vodi, mljevenje, prosijavanje, magnetsku separaciju, gravitacijsku separaciju, flotaciju, ispiranje kiselinom, mikrobsko ispiranje, degazaciju na visokim temperaturama itd. Procesi dubokog prečišćavanja uključuju hlorisano prženje, ozračeno sortiranje u boji, superprovodljivo magnetsko sortiranje, vakuum na visokim temperaturama i tako dalje. Opšti proces prečišćavanja kvarcnog pijeska u domaćinstvima takođe je razvijen od ranog "mlevenja, magnetske separacije, pranja" do "separacije → grubo drobljenje → kalcinacija → gašenje u vodi → mljevenje → prosijavanje → magnetska separacija → flotacija → kiselina". Kombinovani proces prečišćavanja uranjanjem → pranje → sušenje, u kombinaciji sa mikrotalasima, ultrazvukom i drugim sredstvima za prethodnu obradu ili pomoćno prečišćavanje, značajno poboljšava efekat prečišćavanja. S obzirom na niske zahtjeve za željezom u fotonaponskom staklu, uglavnom se uvode istraživanja i razvoj metoda uklanjanja kvarcnog pijeska.
Željezo se uglavnom nalazi u sljedećih šest uobičajenih oblika u kvarcnoj rudi:
① Postoje u obliku finih čestica u glini ili kaoliniziranom feldspatu
②Pričvršćen za površinu kvarcnih čestica u obliku filma željeznog oksida
③Minerali željeza kao što su hematit, magnetit, spekularit, kinit itd. ili minerali koji sadrže željezo kao što su tinjac, amfibol, granat itd.
④Nalazi se u stanju uranjanja ili sočiva unutar kvarcnih čestica
⑤ Postoje u stanju čvrstog rastvora unutar kvarcnog kristala
⑥ Određena količina sekundarnog željeza će se miješati u procesu drobljenja i mljevenja
Da bi se minerali koji sadrže željezo efikasno odvojili od kvarca, potrebno je prvo utvrditi stanje prisutnosti željeznih nečistoća u kvarcnoj rudi i odabrati odgovarajuću metodu obogaćivanja i proces odvajanja kako bi se postiglo uklanjanje željeznih nečistoća.
(1) Proces magnetske separacije
Proces magnetske separacije može u najvećoj mjeri ukloniti minerale sa slabim magnetskim nečistoćama poput hematita, limonita i biotita, uključujući i spojene čestice. Prema magnetskoj jačini, magnetska separacija se može podijeliti na jaku magnetsku separaciju i slabu magnetsku separaciju. Jaka magnetska separacija obično koristi vlažni jaki magnetski separator ili visokogradijentni magnetski separator.
Generalno govoreći, kvarcni pijesak koji sadrži uglavnom minerale slabih magnetskih nečistoća poput limonita, hematita, biotita itd., može se odabrati pomoću mokre magnetske mašine s jakom magnetskom aktivnošću pri vrijednosti iznad 8,0×105A/m; Za jake magnetske minerale u kojima dominira željezna ruda, bolje je koristiti mašinu sa slabom magnetskom aktivnošću ili mašinu sa srednjom magnetskom aktivnošću za odvajanje. [2] Danas, primjenom magnetskih separatora s visokim gradijentima i jakim magnetskim poljem, magnetska separacija i prečišćavanje su značajno poboljšani u poređenju s prošlošću. Na primjer, korištenje jakog magnetskog separatora elektromagnetskog indukcionog valjka za uklanjanje željeza pod jačinom magnetskog polja od 2,2 T može smanjiti sadržaj Fe2O3 sa 0,002% na 0,0002%.
(2) Proces flotacije
Flotacija je proces odvajanja mineralnih čestica putem različitih fizičkih i hemijskih svojstava na površini mineralnih čestica. Glavna funkcija je uklanjanje srodnih minerala tinjca i feldspata iz kvarcnog pijeska. Za flotacijsko odvajanje minerala koji sadrže željezo i kvarca, ključno je odrediti oblik pojave nečistoća željeza i oblik distribucije svake veličine čestica za odabir odgovarajućeg procesa odvajanja za uklanjanje željeza. Većina minerala koji sadrže željezo ima nultu električnu tačku iznad 5, što je pozitivno naelektrisano u kiseloj sredini i teoretski pogodno za upotrebu anionskih kolektora.
Masna kiselina (sapun), hidrokarbil sulfonat ili sulfat mogu se koristiti kao anionski kolektor za flotaciju rude željeznog oksida. Pirit se može flotirati iz kvarca u okruženju za kiseljenje s klasičnim flotacijskim sredstvom za izobutil ksantat plus butilamin crni barut (4:1). Doziranje je oko 200 ppmw.
Flotacija ilmenita uglavnom koristi natrijum oleat (0,21 mol/L) kao flotacijsko sredstvo za podešavanje pH vrijednosti na 4~10. Hemijska reakcija se odvija između oleatnih iona i čestica željeza na površini ilmenita, čime se proizvodi željezni oleat, koji se hemijski adsorbira. Oleatni ioni održavaju ilmenit boljom plutavošću. Kolektori fosfonske kiseline na bazi ugljikovodika razvijeni posljednjih godina imaju dobru selektivnost i performanse sakupljanja ilmenita.
(3) Proces ispiranja kiselinom
Glavna svrha procesa ispiranja kiselinom je uklanjanje rastvorljivih minerala željeza u kiselom rastvoru. Faktori koji utiču na efekat prečišćavanja kiselim ispiranjem uključuju veličinu čestica kvarcnog pijeska, temperaturu, vrijeme, vrstu kiseline, koncentraciju kiseline, odnos čvrste i tečne materije itd., te povećanje temperature i kiselog rastvora. Koncentracija i smanjenje radijusa čestica kvarca mogu povećati brzinu ispiranja i brzinu ispiranja Al. Efekat prečišćavanja jedne kiseline je ograničen, a miješane kiseline imaju sinergijski efekat, što može značajno povećati brzinu uklanjanja nečistoća poput Fe i K. Uobičajene neorganske kiseline su HF, H2SO4, HCl, HNO3, H3PO4, HClO4, H2C2O4, a uglavnom se dvije ili više njih miješaju i koriste u određenom omjeru.
Oksalna kiselina je često korištena organska kiselina za ispiranje kiselinom. Može formirati relativno stabilan kompleks s otopljenim metalnim ionima, a nečistoće se lako ispiru. Ima prednosti niske doze i visoke brzine uklanjanja željeza. Neki ljudi koriste ultrazvuk kako bi pomogli u prečišćavanju oksalne kiseline i otkrili su da u poređenju s konvencionalnim ultrazvukom s miješanjem i ultrazvukom u spremniku, ultrazvuk sonde ima najveću brzinu uklanjanja željeza, količina oksalne kiseline je manja od 4 g/L, a brzina uklanjanja željeza dostiže 75,4%.
Prisustvo razrijeđene kiseline i fluorovodonične kiseline može efikasno ukloniti metalne nečistoće poput Fe, Al, Mg, ali količina fluorovodonične kiseline mora se kontrolisati jer fluorovodonična kiselina može nagristi čestice kvarca. Upotreba različitih vrsta kiselina također utiče na kvalitet procesa prečišćavanja. Među njima, mješavina HCl i HF ima najbolji učinak obrade. Neki ljudi koriste mješavinu HCl i HF za luženje kako bi prečistili kvarcni pijesak nakon magnetske separacije. Hemijskim luženjem, ukupna količina nečistoća je 40,71 μg/g, a čistoća SiO2 je čak 99,993 težinskih%.
(4) Mikrobno ispiranje
Mikroorganizmi se koriste za ispiranje tankog filma željeza ili impregnaciju željeza na površini čestica kvarcnog pijeska, što je nedavno razvijena tehnika za uklanjanje željeza. Strane studije su pokazale da je upotreba Aspergillus niger, Penicillium, Pseudomonas, Polymyxin Bacillus i drugih mikroorganizama za ispiranje željeza na površini kvarcnog filma postigla dobre rezultate, od kojih je učinak ispiranja željeza Aspergillus niger optimalan. Stopa uklanjanja Fe2O3 je uglavnom iznad 75%, a sadržaj Fe2O3 koncentrata je samo 0,007%. Utvrđeno je da bi učinak ispiranja željeza bio bolji uz prethodnu kultivaciju većine bakterija i plijesni.
2.2 Ostali istraživački napredak kvarcnog pijeska za fotonaponsko staklo
Kako bi se smanjila količina kiseline, smanjila poteškoća tretmana otpadnih voda i osigurala ekološka prihvatljivost, Peng Shou [5] i saradnici su otkrili metodu za pripremu kvarcnog pijeska s niskim sadržajem željeza od 10 ppm postupkom bez kiseljenja: prirodni žilni kvarc koristi se kao sirovina, a trostepeno drobljenje. Prva faza mljevenja i druga faza klasifikacije mogu dobiti granulaciju od 0,1~0,7 mm; granulacija se odvaja prvom fazom magnetske separacije i drugom fazom snažnog magnetskog uklanjanja mehaničkog željeza i minerala koji sadrže željezo kako bi se dobio pijesak za magnetsku separaciju; magnetska separacija pijeska se postiže flotacijom u drugoj fazi, sadržaj Fe2O3 je niži od 10 ppm kvarcnog pijeska s niskim sadržajem željeza, flotacija koristi H2SO4 kao regulator, podešava pH = 2~3, a kao kolektori se koriste natrijum oleat i propilen diamin na bazi kokosovog ulja. Pripremljeni kvarcni pijesak SiO2≥99,9%, Fe2O3≤10 ppm, ispunjava zahtjeve silikatnih sirovina potrebnih za optičko staklo, fotoelektrično staklo za displeje i kvarcno staklo.
S druge strane, s iscrpljivanjem visokokvalitetnih kvarcnih resursa, sveobuhvatno korištenje resursa niske kvalitete privuklo je široku pažnju. Xie Enjun iz China Building Materials Bengbu Glass Industry Design and Research Institute Co., Ltd. koristio je kaolinske ostatke za pripremu kvarcnog pijeska s niskim udjelom željeza za fotonaponsko staklo. Glavni mineralni sastav kaolinskih ostataka iz Fujiana je kvarc, koji sadrži malu količinu nečistoća poput kaolinita, tinjca i feldspata. Nakon što se kaolinski ostaci obrade procesom oplemenjivanja "mljevenje-hidraulična klasifikacija-magnetska separacija-flotacija", sadržaj čestica veličine 0,6~0,125 mm je veći od 95%, SiO2 je 99,62%, Al2O3 je 0,065%, Fe2O3 je 92×10-6 finog kvarcnog pijeska koji ispunjava zahtjeve kvalitete kvarcnog pijeska s niskim udjelom željeza za fotonaponsko staklo.
Shao Weihua i drugi iz Zhengzhou Instituta za sveobuhvatno korištenje mineralnih resursa, Kineske akademije geoloških nauka, objavili su patent za izum: metodu za pripremu kvarcnog pijeska visoke čistoće od jalovine kaolina. Koraci metode: a. Jalovina kaolina se koristi kao sirova ruda, koja se nakon miješanja i ribanja prosejava da bi se dobio materijal +0,6 mm; b. Materijal +0,6 mm se melje i klasificira, a mineralni materijal od 0,4 mm do 0,1 mm se podvrgava operaciji magnetske separacije. Da bi se dobili magnetski i nemagnetni materijali, nemagnetni materijali ulaze u operaciju gravitacijskog odvajanja kako bi se dobili laki minerali i teški minerali gravitacijskom separacijom, a laki minerali gravitacijskom separacijom ulaze u operaciju ponovnog mljevenja radi prosijavanja kako bi se dobili minerali +0,1 mm; c. Mineral +0,1 mm ulazi u operaciju flotacije kako bi se dobio koncentrat za flotaciju. Gornja voda koncentrata za flotaciju se uklanja, a zatim ultrazvučno kiseli, a zatim prosijava da bi se dobio grubi materijal +0,1 mm kao kvarcni pijesak visoke čistoće. Metoda prema ovom izumu ne samo da omogućava dobijanje visokokvalitetnih proizvoda od kvarcnog koncentrata, već ima i kratko vrijeme obrade, jednostavan tok procesa, nisku potrošnju energije i visok kvalitet dobijenog kvarcnog koncentrata, koji može zadovoljiti zahtjeve kvaliteta kvarca visoke čistoće.
Jalovina kaolina sadrži veliku količinu kvarcnih resursa. Obogaćivanjem, pročišćavanjem i dubokom preradom mogu se ispuniti zahtjevi za korištenje fotonaponskih ultrabijelih staklenih sirovina. Ovo također pruža novu ideju za sveobuhvatno korištenje resursa jalovine kaolina.
3. Pregled tržišta kvarcnog pijeska sa niskim sadržajem željeza za fotonaponsko staklo
S jedne strane, u drugoj polovini 2020. godine, proizvodni kapaciteti ograničeni širenjem ne mogu se nositi s eksplozivnom potražnjom u uslovima visokog prosperiteta. Ponuda i potražnja fotonaponskog stakla su neuravnotežene, a cijena vrtoglavo raste. Na zajednički poziv mnogih kompanija za fotonaponske module, Ministarstvo industrije i informacionih tehnologija izdalo je u decembru 2020. godine dokument u kojem se pojašnjava da projekat valjanog fotonaponskog stakla možda neće formulisati plan zamjene kapaciteta. Pod utjecajem nove politike, stopa rasta proizvodnje fotonaponskog stakla će se proširiti od 2021. godine. Prema javnim informacijama, kapacitet valjanog fotonaponskog stakla s jasnim planom proizvodnje u 21/22. godini dostići će 22250/26590 t/d, s godišnjom stopom rasta od 68,4/48,6%. U slučaju politike i garancija na strani potražnje, očekuje se da će fotonaponski pijesak izazvati eksplozivan rast.
Proizvodni kapacitet industrije fotonaponskog stakla u periodu 2015-2022
S druge strane, značajno povećanje proizvodnih kapaciteta fotonaponskog stakla može uzrokovati da ponuda silicijumskog pijeska sa niskim sadržajem željeza premaši ponudu, što zauzvrat ograničava stvarnu proizvodnju fotonaponskog stakla. Prema statistikama, od 2014. godine, domaća proizvodnja kvarcnog pijeska u mojoj zemlji uglavnom je bila nešto niža od domaće potražnje, a ponuda i potražnja su održavale čvrstu ravnotežu.
Istovremeno, domaći resursi kvarcnih naslaga s niskim sadržajem željeza u mojoj zemlji su oskudni, koncentrirani u Heyuanu u Guangdongu, Beihaju u Guangxiju, Fengyangu u Anhuiju i Donghaiju u Jiangsuu, te se velika količina mora uvoziti.
Ultra-bijeli kvarcni pijesak s niskim udjelom željeza jedna je od važnih sirovina (čini oko 25% cijene sirovine) posljednjih godina. Cijena je također rasla. U prošlosti se dugo kretala oko 200 juana/tona. Nakon izbijanja epidemije u prvom kvartalu prije 20 godina, pala je s visokog nivoa i trenutno održava stabilno poslovanje.
U 2020. godini, ukupna potražnja moje zemlje za kvarcnim pijeskom iznosit će 90,93 miliona tona, proizvodnja će biti 87,65 miliona tona, a neto uvoz 3,278 miliona tona. Prema javnim informacijama, količina kvarcnog kamena u 100 kg rastopljenog stakla iznosi oko 72,2 kg. Prema trenutnom planu proširenja, povećanje kapaciteta fotonaponskog stakla u 2021/2022. godini moglo bi dostići 3,23/24500 t/d, a prema godišnjoj proizvodnji izračunatoj tokom perioda od 360 dana, ukupna proizvodnja će odgovarati novopovećanoj potražnji za silicijumskim pijeskom sa niskim sadržajem željeza od 836/635 miliona tona/godišnje, odnosno nova potražnja za silicijumskim pijeskom sa niskim sadržajem željeza koju donosi fotonaponsko staklo u 2021/2022. godini činit će 9,2%/7,0% ukupne potražnje za kvarcnim pijeskom u 2020. godini. S obzirom na to da silicijum dioksidni pijesak s niskim sadržajem željeza čini samo dio ukupne potražnje za silicijum dioksidnim pijeskom, pritisak ponude i potražnje za silicijum dioksidnim pijeskom s niskim sadržajem željeza uzrokovan velikim ulaganjem u proizvodne kapacitete fotonaponskog stakla može biti mnogo veći od pritiska na ukupnu industriju kvarcnog pijeska.
—Članak sa Powder Networka
Vrijeme objave: 11. decembar 2021.