Tijdens de periode van het "14e Vijfjarenplan", en in lijn met het nationale strategische plan "koolstofpiek en koolstofneutraliteit", zal de fotovoltaïsche industrie een explosieve groei doormaken. De opkomst van de fotovoltaïsche industrie heeft welvaart gecreëerd voor de gehele industriële keten. In deze indrukwekkende keten is fotovoltaïsch glas een onmisbare schakel. Door de toenemende aandacht voor energiebesparing en milieubescherming neemt de vraag naar fotovoltaïsch glas dagelijks toe, met een onevenwicht tussen vraag en aanbod tot gevolg. Tegelijkertijd is ook de vraag naar ijzerarm en ultrawit kwartszand, een belangrijk materiaal voor fotovoltaïsch glas, gestegen, met een schaarste tot gevolg. Industrie-experts voorspellen dat de vraag naar ijzerarm kwartszand de komende tien jaar met meer dan 15% zal blijven stijgen. In de nasleep van de sterke groei van de fotovoltaïsche industrie heeft de productie van ijzerarm kwartszand veel aandacht gekregen.
1. Kwartszand voor fotovoltaïsch glas
Fotovoltaïsch glas wordt over het algemeen gebruikt als omhulsel voor zonnepanelen en staat in direct contact met de buitenomgeving. De weerbestendigheid, sterkte, lichtdoorlatendheid en andere eigenschappen spelen een cruciale rol in de levensduur van zonnepanelen en de energieopwekkingsefficiëntie op lange termijn. De ijzerionen in het kwartszand zijn gevoelig voor verkleuring. Om de hoge lichtdoorlatendheid van het glas te garanderen, moet het ijzergehalte van fotovoltaïsch glas lager zijn dan dat van gewoon glas. Daarom moet er gebruik worden gemaakt van kwartszand met een laag ijzergehalte, een hoge siliciumzuiverheid en een laag gehalte aan onzuiverheden.
Momenteel zijn er in ons land weinig hoogwaardige, ijzerarme kwartszanden die gemakkelijk te winnen zijn. Deze komen voornamelijk voor in Heyuan, Guangxi, Fengyang, Anhui, Hainan en andere regio's. Naarmate de productiecapaciteit van ultrawit reliëfglas voor zonnecellen toeneemt, zal hoogwaardig kwartszand met een beperkt productiegebied in de toekomst een relatief schaars goed worden. De beschikbaarheid van hoogwaardig en stabiel kwartszand zal de concurrentiepositie van bedrijven in de fotovoltaïsche glasindustrie in de toekomst beperken. Daarom is het effectief verlagen van het gehalte aan ijzer, aluminium, titanium en andere onzuiverheden in kwartszand en het produceren van zeer zuiver kwartszand een belangrijk onderzoeksonderwerp.
2. Productie van ijzerarm kwartszand voor fotovoltaïsch glas
2.1 Zuivering van kwartszand voor fotovoltaïsch glas
Momenteel omvatten de traditionele kwartszuiveringsprocessen die in de industrie veelvuldig worden toegepast onder andere sorteren, schrobben, calcineren-waterafkoeling, malen, zeven, magnetische scheiding, zwaartekrachtscheiding, flotatie, zure uitloging, microbiële uitloging en ontgassing bij hoge temperatuur. Dieptezuiveringsprocessen omvatten onder andere chloorroosteren, bestraalde kleursortering, supergeleidende magnetische sortering en vacuümbehandeling bij hoge temperatuur. Het algemene proces voor de zuivering van kwartszand in de binnenlandse industrie is geëvolueerd van het vroege "malen, magnetische scheiding, wassen" naar "scheiding → grof breken → calcineren → afkoeling in water → malen → zeven → magnetische scheiding → flotatie → zuurbehandeling". Het gecombineerde proces van onderdompeling → wassen → drogen, in combinatie met microgolven, ultrasone trillingen en andere methoden voor voorbehandeling of aanvullende zuivering, verbetert het zuiveringseffect aanzienlijk. Met het oog op de lage ijzervereisten van fotovoltaïsch glas, wordt in dit onderzoek en de ontwikkeling van methoden voor de verwijdering van kwartszand voornamelijk besproken.
IJzer komt in kwartserts over het algemeen in de volgende zes gangbare vormen voor:
① Bestaan in de vorm van fijne deeltjes in klei of gekaoliniseerd veldspaat
② Aan het oppervlak van kwartsdeeltjes gehecht in de vorm van een ijzeroxidefilm
③IJzermineralen zoals hematiet, magnetiet, speculariet, quinite, enz. of ijzerhoudende mineralen zoals mica, amfibool, granaat, enz.
④Het bevindt zich in de toestand van onderdompeling of lensvorming in de kwartsdeeltjes.
⑤ Bestaan in de toestand van vaste oplossing in het kwartskristal
⑥ Tijdens het breek- en maalproces wordt een bepaalde hoeveelheid secundair ijzer meegemengd.
Om ijzerhoudende mineralen effectief van kwarts te scheiden, is het eerst nodig om de aanwezigheid van ijzerverontreinigingen in het kwartserts vast te stellen en een geschikte verwerkingsmethode en scheidingsproces te kiezen om de ijzerverontreinigingen te verwijderen.
(1) Magnetisch scheidingsproces
Het magnetische scheidingsproces kan zwakmagnetische onzuiverheden zoals hematiet, limoniet en biotiet, inclusief samengevoegde deeltjes, grotendeels verwijderen. Afhankelijk van de magnetische sterkte kan magnetische scheiding worden onderverdeeld in sterke magnetische scheiding en zwakke magnetische scheiding. Bij sterke magnetische scheiding wordt meestal gebruikgemaakt van een natte sterke magnetische scheider of een magnetische scheider met een hoge gradiënt.
Over het algemeen kan kwartszand dat voornamelijk zwakmagnetische onzuiverheden bevat, zoals limoniet, hematiet, biotiet, enz., worden geselecteerd met behulp van een natte, sterke magneetscheider met een waarde van meer dan 8,0 × 10⁵ A/m; voor sterkmagnetische mineralen die voornamelijk ijzererts bevatten, is het beter om een zwakke magneetscheider of een middelsterke magneetscheider te gebruiken voor de scheiding. [2] Tegenwoordig zijn magnetische scheiding en zuivering aanzienlijk verbeterd ten opzichte van vroeger, dankzij de toepassing van magnetische scheiders met een hoge gradiënt en een sterk magnetisch veld. Zo kan bijvoorbeeld het gebruik van een elektromagnetische inductierolscheider om ijzer te verwijderen onder een magnetisch veld van 2,2 T het gehalte aan Fe₂O₃ verlagen van 0,002% tot 0,0002%.
(2) Flotatieproces
Flotatie is een proces waarbij minerale deeltjes worden gescheiden op basis van verschillende fysische en chemische eigenschappen aan het oppervlak van de deeltjes. De belangrijkste functie is het verwijderen van de verwante mineralen mica en veldspaat uit het kwartszand. Voor de flotatiescheiding van ijzerhoudende mineralen en kwarts is het van cruciaal belang om de vorm waarin ijzerverontreinigingen voorkomen en de verdeling van de deeltjesgrootte te bepalen om een geschikt scheidingsproces voor ijzerverwijdering te kiezen. De meeste ijzerhoudende mineralen hebben een nulpunt van 5, wat betekent dat ze positief geladen zijn in een zure omgeving en theoretisch geschikt zijn voor het gebruik van anionische collectoren.
Vetzuren (zeep), koolwaterstofsulfonaat of -sulfaat kunnen worden gebruikt als anionencollector voor de flotatie van ijzeroxide-erts. Pyriet kan worden gefloteerd van kwarts in een beitsomgeving met het klassieke flotatiemiddel isobutylxanthate plus butylaminepoeder (4:1). De dosering bedraagt ongeveer 200 ppmw.
Bij de flotatie van ilmeniet wordt doorgaans natriumoleaat (0,21 mol/L) gebruikt als flotatiemiddel om de pH aan te passen tot 4-10. Er vindt een chemische reactie plaats tussen oleaat-ionen en ijzerdeeltjes op het oppervlak van het ilmeniet, waarbij ijzeroleaat ontstaat. Dit ijzeroleaat wordt chemisch geadsorbeerd en zorgt ervoor dat het ilmeniet beter kan floteren. De in de afgelopen jaren ontwikkelde koolwaterstofgebaseerde fosfonzuurcollectoren hebben een goede selectiviteit en filtratiecapaciteit voor ilmeniet.
(3) Zuurloogproces
Het hoofddoel van het zuurloogproces is het verwijderen van oplosbare ijzermineralen uit de zure oplossing. Factoren die het zuiveringseffect van het zuurloogproces beïnvloeden, zijn onder andere de deeltjesgrootte van het kwartszand, de temperatuur, de tijd, het type zuur, de zuurconcentratie en de vaste stof-vloeistofverhouding. Een hogere temperatuur en een hogere concentratie van de zure oplossing, evenals een kleinere straal van de kwartsdeeltjes, kunnen de loogsnelheid en de verwijderingssnelheid van aluminium verhogen. Het zuiveringseffect van een enkel zuur is beperkt, terwijl een mengsel van zuren een synergetisch effect heeft en de verwijderingssnelheid van onzuiverheden zoals ijzer en kalium aanzienlijk kan verhogen. Veelgebruikte anorganische zuren zijn HF, H₂SO₄, HCl, HNO₃, H₃PO₄, HClO₄ en H₂C₂O₄. Meestal worden twee of meer van deze zuren in een bepaalde verhouding gemengd en gebruikt.
Oxaalzuur is een veelgebruikt organisch zuur voor zure loogprocessen. Het kan een relatief stabiel complex vormen met de opgeloste metaalionen, waardoor onzuiverheden gemakkelijk worden weggewassen. Het heeft als voordelen een lage dosering en een hoge ijzerverwijderingsgraad. Sommige onderzoekers gebruiken ultrasoon geluid om de zuivering van oxaalzuur te ondersteunen en hebben ontdekt dat, vergeleken met conventioneel roeren en ultrasoon geluid in tanks, ultrasoon geluid met een sonde de hoogste ijzerverwijderingsgraad oplevert, waarbij de hoeveelheid oxaalzuur minder dan 4 g/L bedraagt en de ijzerverwijderingsgraad 75,4% bereikt.
De aanwezigheid van verdund zuur en fluorwaterstofzuur kan metaalverontreinigingen zoals Fe, Al en Mg effectief verwijderen, maar de hoeveelheid fluorwaterstofzuur moet gecontroleerd worden omdat het de kwartsdeeltjes kan aantasten. Het gebruik van verschillende soorten zuren beïnvloedt ook de kwaliteit van het zuiveringsproces. Een mengsel van HCl en HF heeft het beste zuiveringseffect. Sommige onderzoekers gebruiken een mengsel van HCl en HF als uitlogingsmiddel om kwartszand na magnetische scheiding te zuiveren. Door chemische uitloging bedraagt de totale hoeveelheid onzuiverheden 40,71 μg/g en de zuiverheid van SiO2 maar liefst 99,993 gew%.
(4) Microbiële uitloging
Micro-organismen worden gebruikt om dunne ijzerfilms te verwijderen of ijzer in te brengen op het oppervlak van kwartszanddeeltjes. Dit is een recent ontwikkelde techniek voor ijzerverwijdering. Buitenlandse studies hebben aangetoond dat het gebruik van Aspergillus niger, Penicillium, Pseudomonas, Polymyxin Bacillus en andere micro-organismen voor het verwijderen van ijzer van het oppervlak van de kwartsfilm goede resultaten oplevert. Het effect van Aspergillus niger is het meest optimaal. Het verwijderingspercentage van Fe2O3 ligt meestal boven de 75%, en het gehalte aan Fe2O3-concentraat is zo laag als 0,007%. Bovendien bleek dat het effect van ijzerverwijdering beter is wanneer de meeste bacteriën en schimmels vooraf worden gekweekt.
2.2 Overige onderzoeksresultaten met betrekking tot kwartszand voor fotovoltaïsch glas
Om de hoeveelheid zuur te verminderen, de moeilijkheid van de afvalwaterzuivering te verlagen en milieuvriendelijk te zijn, hebben Peng Shou [5] et al. een methode beschreven voor het bereiden van kwartszand met een laag ijzergehalte van 10 ppm door middel van een niet-beitsend proces: natuurlijk aderkwarts wordt gebruikt als grondstof, en drietraps breken. De eerste fase van malen en de tweede fase van classificeren levert een korrelgrootte van 0,1~0,7 mm op; de korrels worden gescheiden door middel van magnetische scheiding in de eerste fase en sterke magnetische verwijdering van mechanisch ijzer en ijzerhoudende mineralen in de tweede fase om magnetisch scheidingszand te verkrijgen; het magnetisch gescheiden zand wordt verkregen door middel van flotatie in de tweede fase. Het Fe2O3-gehalte is lager dan 10 ppm, het kwartszand met een laag ijzergehalte wordt gefloteerd met H2SO4 als regulator, de pH wordt ingesteld op 2~3, en natriumoleaat en propyleendiamine op basis van kokosolie worden gebruikt als collectoren. Het geprepareerde kwartszand met SiO2≥99,9% en Fe2O3≤10 ppm voldoet aan de eisen voor siliciumhoudende grondstoffen die nodig zijn voor optisch glas, fotovoltaïsch displayglas en kwartsglas.
Aan de andere kant, met de uitputting van hoogwaardige kwartsbronnen, heeft het alomvattende gebruik van minderwaardige grondstoffen veel aandacht gekregen. Xie Enjun van China Building Materials Bengbu Glass Industry Design and Research Institute Co., Ltd. gebruikte kaolienafval om kwartszand met een laag ijzergehalte te produceren voor fotovoltaïsch glas. De belangrijkste minerale samenstelling van kaolienafval uit Fujian is kwarts, met een kleine hoeveelheid onzuiverheden zoals kaoliniet, mica en veldspaat. Nadat het kaolienafval is verwerkt via het verrijkingsproces "malen-hydraulische classificatie-magnetische scheiding-flotatie", voldoet het fijne kwartszand met een deeltjesgrootte van 0,6~0,125 mm van meer dan 95%, SiO2 van 99,62%, Al2O3 van 0,065% en Fe2O3 van 92×10-6 aan de kwaliteitseisen voor kwartszand met een laag ijzergehalte voor fotovoltaïsch glas.
Shao Weihua en anderen van het Zhengzhou Instituut voor Integrale Benutting van Minerale Bronnen, Chinese Academie voor Geologische Wetenschappen, hebben een octrooi gepubliceerd voor een methode voor het bereiden van hoogzuiver kwartszand uit kaolienafval. De methode omvat de volgende stappen: a. Kaolienafval wordt gebruikt als ruw erts, dat na roeren en schrobben wordt gezeefd om materiaal met een deeltjesgrootte van +0,6 mm te verkrijgen; b. Het materiaal met een deeltjesgrootte van +0,6 mm wordt vermalen en geclassificeerd, en het mineraalmateriaal met een deeltjesgrootte van 0,4 mm tot 0,1 mm wordt magnetisch gescheiden om magnetisch en niet-magnetisch materiaal te verkrijgen. Het niet-magnetische materiaal wordt vervolgens gescheiden door middel van zwaartekrachtscheiding om lichte en zware mineralen te verkrijgen. De lichte mineralen worden vervolgens opnieuw vermalen en gezeefd om mineralen met een deeltjesgrootte van +0,1 mm te verkrijgen; c. De mineralen met een deeltjesgrootte van +0,1 mm worden gefloteerd om het flotatieconcentraat te verkrijgen. Het bovenste water van het flotatieconcentraat wordt verwijderd en vervolgens ultrasoon behandeld, waarna het wordt gezeefd om het grove materiaal van +0,1 mm te verkrijgen als hoogzuiver kwartszand. De methode volgens de uitvinding levert niet alleen hoogwaardige kwartsconcentraatproducten op, maar kenmerkt zich ook door een korte verwerkingstijd, een eenvoudige processtroom, een laag energieverbruik en een hoge kwaliteit van het verkregen kwartsconcentraat, dat voldoet aan de kwaliteitseisen voor hoogzuiver kwarts.
Kaolienafval bevat een grote hoeveelheid kwarts. Door middel van verwerking, zuivering en diepgaande bewerking kan het voldoen aan de eisen voor gebruik als grondstof voor ultrawit fotovoltaïsch glas. Dit biedt tevens een nieuw perspectief voor de integrale benutting van de grondstoffen in kaolienafval.
3. Marktoverzicht van ijzerarm kwartszand voor fotovoltaïsch glas
Enerzijds kan de beperkte productiecapaciteit in de tweede helft van 2020 de explosieve vraag als gevolg van de economische hoogconjunctuur niet bijbenen. Vraag en aanbod van fotovoltaïsch glas zijn uit balans en de prijzen stijgen. Na een gezamenlijke oproep van diverse fabrikanten van fotovoltaïsche modules, heeft het Ministerie van Industrie en Informatietechnologie in december 2020 een document gepubliceerd waarin wordt verduidelijkt dat er voor de productie van fotovoltaïsch gewalst glas geen capaciteitsvervangingsplan hoeft te worden opgesteld. Als gevolg van dit nieuwe beleid zal de groei van de productie van fotovoltaïsch glas vanaf 2021 toenemen. Volgens openbare gegevens zal de productiecapaciteit van gewalst fotovoltaïsch glas, met een concreet productieplan voor 2021/2022, respectievelijk 22.250/26.590 ton per dag bedragen, met een jaarlijkse groei van respectievelijk 68,4% en 48,6%. Met de juiste beleids- en vraaggaranties wordt verwacht dat de productie van fotovoltaïsch zand een explosieve groei zal doormaken.
Productiecapaciteit van de fotovoltaïsche glasindustrie in de periode 2015-2022
Aan de andere kant kan de aanzienlijke toename van de productiecapaciteit van fotovoltaïsch glas ertoe leiden dat het aanbod van ijzerarm silicazand het aanbod overstijgt, wat op zijn beurt de daadwerkelijke productiecapaciteit van fotovoltaïsch glas beperkt. Volgens statistieken is de binnenlandse productie van kwartszand in mijn land sinds 2014 over het algemeen iets lager dan de binnenlandse vraag, waardoor vraag en aanbod in een gespannen evenwicht zijn gebleven.
Tegelijkertijd zijn de binnenlandse reserves aan ijzerarm kwarts in mijn land schaars en geconcentreerd in Heyuan (Guangdong), Beihai (Guangxi), Fengyang (Anhui) en Donghai (Jiangsu), waardoor een groot deel ervan geïmporteerd moet worden.
Ultrawit kwartszand met een laag ijzergehalte is de afgelopen jaren een van de belangrijkste grondstoffen geworden (goed voor ongeveer 25% van de grondstofkosten). De prijs is dan ook gestegen. In het verleden schommelde de prijs lange tijd rond de 200 yuan per ton. Na de uitbraak van de epidemie in het eerste kwartaal van 2020 is de prijs gedaald en momenteel stabiel gebleven.
In 2020 zal de totale vraag naar kwartszand in mijn land 90,93 miljoen ton bedragen, de productie 87,65 miljoen ton en de netto-import 3,278 miljoen ton. Volgens openbare gegevens bevat 100 kg gesmolten glas ongeveer 72,2 kg kwartssteen. Volgens het huidige uitbreidingsplan kan de capaciteitsverhoging voor fotovoltaïsch glas in 2021/2022 respectievelijk 3,23/24.500 ton per dag bedragen. Berekend over een periode van 360 dagen, zal de totale productie overeenkomen met de nieuw toegenomen vraag naar silicazand met een laag ijzergehalte van 836/635 miljoen ton per jaar. Dat wil zeggen dat de nieuwe vraag naar silicazand met een laag ijzergehalte als gevolg van de productie van fotovoltaïsch glas in 2021/2022 respectievelijk 9,2%/7,0% van de totale vraag naar kwartszand in 2020 zal uitmaken. Aangezien silicazand met een laag ijzergehalte slechts een deel van de totale vraag naar silicazand uitmaakt, kan de druk op vraag en aanbod van silicazand met een laag ijzergehalte als gevolg van de grootschalige investeringen in de productiecapaciteit van fotovoltaïsch glas veel groter zijn dan de druk op de kwartszandindustrie als geheel.
—Artikel van Powder Network
Geplaatst op: 11 december 2021