استخلاص السيليكون من الرمل: من الكوارتز الخام إلى السيليكون النقي

يحتوي الرمل على ثاني أكسيد السيليكون, ، ولكن ليس السيليكون النقي. لاستخراج السيليكون من الرمل، تستخدم الصناعة عملية دقيقة تتألف من عدة مراحل. أولاً، يتم تنقية الكوارتز عن طريق الغسل والفرز الحبيبي. بعد ذلك، يعمل فرن القوس الكهربائي على اختزال ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) باستخدام الكربون عند درجة حرارة تزيد عن 2000 درجة مئوية. ثم يُصب السيليكون المنصهر في قوالب للحصول على مادة قابلة للاستخدام في مجال الطاقة الشمسية والإلكترونيات.

لماذا يحتوي الرمل على السيليكون؟

الـ يحتوي رمل السيليكا على السيليكون لأنه يتكون من ثاني أكسيد السيليكون، أو SiO2. ويضم هذا المركب ذرة سيليكون وذرتين من الأكسجين. والكوارتز هو المعدن السائد في مناجم الرمل, ، هو بالضبط هذا الشكل المتبلور من SiO₂.

أصلها جيولوجي. على مدى ملايين السنين، يؤدي تآكل الصخور الجرانيتية إلى تحرير جزيئات رملية غنية بالكوارتز. وتتجمع هذه الجزيئات بشكل طبيعي في الرواسب.

يمثل السيليكون 27,7 % من القشرة الأرضية. وهو ثاني أكثر العناصر وفرةً بعد الأكسجين. إلا أنه لا يوجد أبدًا في حالته النقية في الطبيعة. وتعتمد جودة الرمل على محتواه من SiO₂ وعلى وجود شوائب مثل أكاسيد الحديد.

كيف يمكن استخلاص السيليكا من الرمل؟

غسل الرمل السيليسي وإزالة الطمي منه

يُعد الغسل المرحلة الأولى من تنقية رمل سيليسي. تعمل معدات الغسل، مثل غسالة الأسطوانة، على إذابة الجسيمات الطينية الملتصقة بالحبوب.

ثم تُزال الطمي والشوائب الدقيقة العالقة من خلال عملية إزالة الطمي. وتؤدي هذه العملية إلى الحصول على توزيع حبيبي متجانس استعداداً للمراحل التالية في محطة المعالجة.

يعزز جهاز التنظيف بالاحتكاك عملية التنظيف هذه فيما يتعلق بالحبيبات العنيدة. ونتيجة لذلك، يرتفع محتوى SiO₂ بشكل ملحوظ بعد هذه المرحلة.

تقوم الهيدروسيكلونات بـ الفصل بالجاذبية الجزيئات وفقًا لكثافتها. فالرمل المخصص لصناعة الزجاج يجب ألا يحتوي على أكثر من 0,02 % من Fe₂O₃ — وهنا يبدأ مستوى النقاء المطلوب.

يؤدي إعادة تدوير مياه الغسيل إلى خفض الاستهلاك الإجمالي في العملية. وتقوم شركة Silices Santa Cruz بدمج هذه الممارسات الجيدة في منتجاتها منذ مرحلة تصميم العملية.

الفصل المغناطيسي لأكاسيد الحديد

الـ فاصل مغناطيسي ذو ألواح رطبة يستهدف مباشرةً بقايا Fe₂O₃. وهو يجذب الجسيمات المغناطيسية بفضل مجال مغناطيسي قوي. أما الكوارتز، غير المغناطيسي، فيمر دون أن يتم احتجازه.

هناك تقنيتان تهيمنان على هذه العملية:

• أجهزة الفصل ذات الكثافة المنخفضة : مناسبة للجسيمات شديدة المغناطيسية مثل المغنتيت.
• الـ أجهزة الفصل ذات التدرج العالي (HGMS) : فعالة مع الهيماتيت وأكاسيد الحديد ذات المغناطيسية الضعيفة.

تعالج الطريقة الرطبة الجسيمات الدقيقة جدًّا. ولهذا السبب فهي مناسبة تمامًا للرمل السيليسي المخصص لـ صناعة الزجاج. يؤثر حجم الجسيمات بشكل مباشر على اختيار معدات الفصل المغناطيسي. ثم يتم إجراء فحص XRF لاحقًا للتأكد من التخفيض الفعلي للأكاسيد.

الطفو والترشيح الحمضي

تأتي عملية التعويم بعد عملية الفصل المغناطيسي. وهي تستهدف الشوائب غير المغناطيسية مثل الفلسبات والميكا، التي لا يمكن إزالتها في المراحل السابقة.

تلتصق المواد الكيميائية — المجمعة والمُكوِّنة للرغوة — بسطح هذه المعادن. ثم تحملها فقاعات الهواء إلى السطح، بعيدًا عن الكوارتز النقي.

ثم يتم اللجوء إلى عملية الترشيح الحمضي للتخلص من المخلفات العنيدة. ويخضع الرمل لمعالجة بحمض الهيدروكلوريك (HCl) أو الكبريتيك (H₂SO₄). وهذه الأحماض تذيب أكاسيد الحديد والألومنيوم دون أن يؤثر على SiO₂.

والنتيجة قابلة للقياس: حيث يتجاوز محتوى SiO₂ 99 % بعد هذه المرحلة. بالنسبة للتطبيقات مثل الخلايا الشمسية أو في مجال أشباه الموصلات، يصبح هذا المستوى من النقاء أمرًا لا غنى عنه.

ما هي المعدات اللازمة لمصنع معالجة؟

يتألف خط الإنتاج الكامل من عدة آلات متخصصة. ويؤدي كل جهاز وظيفة محددة في سلسلة الإنتاج.

المعدات الأساسية لمصنع المعالجة تشمل:

• الكسارة الفكية : يقطع كتل الكوارتز الخام إلى شظايا يسهل التعامل معها
• الشاشة الاهتزازية : تصنيف الجسيمات حسب الحجم قبل كل مرحلة
• المجفف الدوار : يزيل الرطوبة المتبقية بعد الغسيل
• نظام PLC : يشرف على العملية برمتها ويقوم بأتمتتها في الوقت الفعلي

يُعد الفرن القوسي الكهربائي جوهر عملية الاختزال الحراري. وتصل درجة الحرارة فيه إلى حوالي 1500 درجة مئوية لتحويل ثاني أكسيد السيليكون (SiO₂) إلى سيليكون معدني منصهر.

يتم إجراء فحص نهائي باستخدام تقنية XRF للتحقق من تركيبة المنتج. تختار شركة Silice Santa Cruz مواد خام ذات نسبة عالية من SiO₂ لتحسين كفاءة كل جهاز منذ بدء الإنتاج.

ما هو مستوى النقاء المطلوب وفقاً للاستخدام النهائي؟

السيليكون المعدني وسبائكه

يبلغ مستوى نقاء السيليكون المعدني 98 إلى 99 %. ويمثل هذا النوع، المعروف باسم MG-Si، الاستخدام الأكثر انتشارًا من حيث الحمولة على الصعيد العالمي.

وتستحوذ سبائك الألومنيوم والسيليكون على الحصة الأكبر من هذا المعدن. ففي عام 2019، استحوذ هذا القطاع على 32 % من الإنتاج العالمي للسيليكون المعدني. وبالتالي، تعتمد صناعتا السيارات والطيران بشكل مباشر على هذا المعدن لتصنيع رؤوس المحركات والمكابس وعجلات السيارات.

يُعد الفيروسيليكون سوقًا رئيسيًّا آخر. فهذا السبائك المكون من الحديد والسيليكون يعزز المقاومة الميكانيكية للصلب الخاص. ولهذا السبب فإن سبائك السيليكون والألومنيوم وتشكل المعادن والحديديات الجزء الأكبر من الاستهلاك الصناعي العالمي. توفر شركة «سيليسيس سانتا كروز» كوارتزًا عالي النقاء يضمن الحصول على مادة MG-Si التي تتوافق مع متطلبات هذه القطاعات.

السيليكون المستخدم في الألواح الشمسية وأشباه الموصلات

بالإضافة إلى الدرجة المعدنية، هناك مستويان أعلى من النقاء. و السيليكون المخصص للاستخدام في مجال الطاقة الشمسية (SoG-Si) تصل درجة نقاوتها إلى 99,9999 %. أما رقائق السيليكون المستخدمة في صناعة أشباه الموصلات فتتطلب درجة نقاوة أعلى من ذلك: 99,9999999 %.

للوصول إلى هذه المستويات، يتحول السيليكون المعدني إلى ثلاثي كلورو سيليان (SiHCl₃) عند درجة حرارة تبلغ حوالي 300 درجة مئوية. ويخضع هذا المركب بعد ذلك لتقطير تجزئي، ثم لعملية اختزال بالهيدروجين عند درجة حرارة تبلغ حوالي 1000 درجة مئوية. وهذا هو طريقة سيمنز, ، الذي يحتل مكانة رائدة في الصناعة العالمية.

تأتي عملية التبلور لتكمل عملية التنقية. وتستخرج طريقة تشوكرالسكي سبيكة أحادية البلورة من حوض من السيليكون المنصهر، بسرعة تبلغ حوالي 1 مم/دقيقة. وتؤثر جودة الكوارتز الأولي بشكل مباشر على كفاءة جميع هذه المراحل — ولهذا السبب سيليسي سانتا كروز تختار مواد خام ذات نسبة عالية جدًا من SiO₂.

ما هو سعر رمل السيليكا في الجزائر؟

في السوق العالمية،, لا يتجاوز سعر الرمل السيليسي 25 يورو للطن عند الخروج من المحجر. ويظل هذا السعر منخفضًا لأن هذه المادة لا تُنقل كثيرًا.

تؤثر درجة النقاء بشكل كبير على السعر النهائي. فالرمل المخصص للحشوات المعدنية يكلف أربعة إلى خمسة أضعاف سعر رمل المسابك.

وتصل أسعار المنتجات المشتقة إلى مستويات أعلى بكثير. حيث يتراوح سعر معدن السيليكون بين 850 و1200 يورو للطن، مقابل 1300 إلى 1700 يورو للطن لكربيد السيليكون.

في الجزائر، هناك 14 محجرًا تعمل حاليًّا على استخراج الرمل السيليسي. وتوفر الرواسب الموجودة في غرب البلاد، المرتبطة بالترسبات الريحية، مواد خام عالية الجودة. تحدد الحبيبات ومحتوى SiO₂ بشكل مباشر السعر المتفق عليه بين المنتج والمشتري.

إمكانات الرمل الجزائري في قطاع السيليكون

تمتلك الجزائر احتياطيات جيولوجية هائلة. يضم شمال البلاد أكثر من 150 مليون طن من الصخور السيليسية التي تزيد نسبة SiO₂ فيها عن 97 %.

في عام 2015، اكتشف باحثون جزائريون ويابانيون حقلًا في مدينة سيغ، بولاية مسكرة. ويحتوي هذا الموقع على 6 ملايين طن من السيليكون الخام، المخصص بشكل خاص للألواح الكهروضوئية.

حققت جامعة وهران إنجازاً جديداً. فقد نجح فريقها في تطوير طريقة استخراج مبتكرة من رمال الصحراء والدياتومات، وهي أقل تكلفة من التكنولوجيا التقليدية لشركة «سيمنز».

وبالتالي، فإن الإمكانات الجزائرية تتجاوز المرحلة النظرية. ولا تزال هناك حاجة إلى إجراء تحليلات معملية وتنفيذ مشاريع تجريبية لتأكيد الجدوى الصناعية على نطاق واسع.