Selama periode “Rencana Lima Tahun ke-14”, sesuai dengan rencana strategis negara “puncak karbon dan netral karbon”, industri fotovoltaik akan mengalami perkembangan pesat. Munculnya industri fotovoltaik telah “menciptakan kekayaan” bagi seluruh rantai industri. Dalam rantai yang gemilang ini, kaca fotovoltaik merupakan mata rantai yang tak terpisahkan. Saat ini, dengan mengadvokasi penghematan energi dan perlindungan lingkungan, permintaan akan kaca fotovoltaik meningkat dari hari ke hari, dan terjadi ketidakseimbangan antara penawaran dan permintaan. Pada saat yang sama, pasir kuarsa rendah besi dan ultra-putih, bahan penting untuk kaca fotovoltaik, juga mengalami kenaikan harga, dan pasokannya terbatas. Para ahli industri memperkirakan bahwa pasir kuarsa rendah besi akan mengalami peningkatan jangka panjang lebih dari 15% selama lebih dari 10 tahun. Di bawah angin kencang industri fotovoltaik, produksi pasir kuarsa rendah besi telah menarik banyak perhatian.
1. Pasir kuarsa untuk kaca fotovoltaik
Kaca fotovoltaik umumnya digunakan sebagai panel enkapsulasi modul fotovoltaik, dan bersentuhan langsung dengan lingkungan luar. Ketahanan terhadap cuaca, kekuatan, transmisi cahaya, dan indikator lainnya memainkan peran sentral dalam masa pakai modul fotovoltaik dan efisiensi pembangkitan daya jangka panjang. Ion besi dalam pasir kuarsa mudah menyerap warna, dan untuk memastikan transmisi matahari yang tinggi pada kaca asli, kandungan besi pada kaca fotovoltaik lebih rendah daripada kaca biasa, dan harus digunakan pasir kuarsa rendah besi dengan kemurnian silikon tinggi dan kandungan pengotor rendah.
Saat ini, terdapat sedikit pasir kuarsa berkualitas tinggi dengan kandungan besi rendah yang mudah ditambang di negara kita, dan sebagian besar tersebar di Heyuan, Guangxi, Fengyang, Anhui, Hainan, dan tempat-tempat lain. Di masa depan, dengan pertumbuhan kapasitas produksi kaca timbul ultra-putih untuk sel surya, pasir kuarsa berkualitas tinggi dengan area produksi terbatas akan menjadi sumber daya yang relatif langka. Pasokan pasir kuarsa berkualitas tinggi dan stabil akan membatasi daya saing perusahaan kaca fotovoltaik di masa mendatang. Oleh karena itu, bagaimana cara efektif mengurangi kandungan besi, aluminium, titanium, dan unsur pengotor lainnya dalam pasir kuarsa dan menyiapkan pasir kuarsa dengan kemurnian tinggi merupakan topik penelitian yang hangat.
2. Produksi pasir kuarsa rendah besi untuk kaca fotovoltaik
2.1 Pemurnian Pasir Kuarsa untuk Kaca Fotovoltaik
Saat ini, proses pemurnian kuarsa tradisional yang diterapkan secara matang di industri meliputi penyortiran, penggosokan, kalsinasi-pendinginan air, penggilingan, pengayakan, pemisahan magnetik, pemisahan gravitasi, flotasi, pelindian asam, pelindian mikroba, penghilangan gas suhu tinggi, dll., sedangkan proses pemurnian mendalam meliputi pemanggangan klorinasi, penyortiran warna iradiasi, penyortiran magnetik superkonduktor, vakum suhu tinggi, dan sebagainya. Proses pengayaan umum pemurnian pasir kuarsa domestik juga telah berkembang dari yang awalnya "penggilingan, pemisahan magnetik, pencucian" menjadi "pemisahan → penghancuran kasar → kalsinasi → pendinginan air → penggilingan → penyaringan → pemisahan magnetik → flotasi → pengasaman". Proses pengayaan gabungan perendaman → pencucian → pengeringan, dikombinasikan dengan gelombang mikro, ultrasonik, dan cara lain untuk pra-perlakuan atau pemurnian tambahan, sangat meningkatkan efek pemurnian. Mengingat persyaratan rendah zat besi pada kaca fotovoltaik, penelitian dan pengembangan metode penghilangan pasir kuarsa terutama diperkenalkan.
Secara umum, besi terdapat dalam enam bentuk umum berikut dalam bijih kuarsa:
① Ada dalam bentuk partikel halus dalam tanah liat atau feldspar yang mengalami kaolinisasi
②Menempel pada permukaan partikel kuarsa dalam bentuk lapisan oksida besi
③Mineral besi seperti hematit, magnetit, spekularit, kunit, dll. atau mineral yang mengandung besi seperti mika, amfibol, garnet, dll.
④Berada dalam keadaan terendam atau lensa di dalam partikel kuarsa
⑤ Berada dalam bentuk larutan padat di dalam kristal kuarsa
⑥ Sejumlah besi sekunder akan tercampur dalam proses penghancuran dan penggilingan
Untuk memisahkan mineral yang mengandung besi dari kuarsa secara efektif, perlu terlebih dahulu memastikan keadaan keberadaan pengotor besi dalam bijih kuarsa dan memilih metode pengolahan dan proses pemisahan yang tepat untuk mencapai penghilangan pengotor besi.
(1) Proses pemisahan magnetik
Proses pemisahan magnetik dapat menghilangkan mineral pengotor magnetik lemah seperti hematit, limonit, dan biotit termasuk partikel yang menyatu hingga tingkat maksimal. Berdasarkan kekuatan magnetnya, pemisahan magnetik dapat dibagi menjadi pemisahan magnetik kuat dan pemisahan magnetik lemah. Pemisahan magnetik kuat biasanya menggunakan pemisah magnetik kuat basah atau pemisah magnetik gradien tinggi.
Secara umum, pasir kuarsa yang mengandung mineral pengotor magnetik lemah seperti limonit, hematit, biotit, dll., dapat dipisahkan menggunakan mesin magnetik kuat tipe basah dengan nilai di atas 8,0×10⁵A/m; Untuk mineral magnetik kuat yang didominasi oleh bijih besi, lebih baik menggunakan mesin magnetik lemah atau mesin magnetik sedang untuk pemisahan. [2] Saat ini, dengan penerapan pemisah magnetik gradien tinggi dan medan magnet kuat, pemisahan dan pemurnian magnetik telah meningkat secara signifikan dibandingkan masa lalu. Misalnya, menggunakan pemisah magnetik kuat tipe roller induksi elektromagnetik untuk menghilangkan besi di bawah kekuatan medan magnet 2,2T dapat mengurangi kandungan Fe₂O₃ dari 0,002% menjadi 0,0002%.
(2) Proses flotasi
Flotasi adalah proses pemisahan partikel mineral berdasarkan perbedaan sifat fisik dan kimia pada permukaan partikel mineral. Fungsi utamanya adalah untuk memisahkan mineral mika dan feldspar yang terkait dari pasir kuarsa. Untuk pemisahan flotasi mineral yang mengandung besi dan kuarsa, mengetahui bentuk kemunculan pengotor besi dan bentuk distribusi setiap ukuran partikel merupakan kunci untuk memilih proses pemisahan yang tepat untuk menghilangkan besi. Sebagian besar mineral yang mengandung besi memiliki titik didih nol di atas 5, yang bermuatan positif dalam lingkungan asam, dan secara teoritis cocok untuk penggunaan kolektor anionik.
Asam lemak (sabun), hidrokarbil sulfonat atau sulfat dapat digunakan sebagai kolektor anionik untuk flotasi bijih oksida besi. Pirit dapat diflotasi dari kuarsa dalam lingkungan pengawetan dengan agen flotasi klasik berupa isobutil xantat ditambah bubuk hitam butilamina (4:1). Dosisnya sekitar 200 ppmw.
Flotasi ilmenit umumnya menggunakan natrium oleat (0,21 mol/L) sebagai agen flotasi untuk menyesuaikan pH menjadi 4~10. Reaksi kimia terjadi antara ion oleat dan partikel besi pada permukaan ilmenit untuk menghasilkan besi oleat, yang secara kimiawi teradsorpsi. Ion oleat menjaga ilmenit dengan kemampuan flotasi yang lebih baik. Kolektor asam fosfonat berbasis hidrokarbon yang dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir memiliki selektivitas dan kinerja pengumpulan yang baik untuk ilmenit.
(3) Proses pelindian asam
Tujuan utama proses pelindian asam adalah untuk menghilangkan mineral besi terlarut dalam larutan asam. Faktor-faktor yang memengaruhi efek pemurnian pelindian asam meliputi ukuran partikel pasir kuarsa, suhu, waktu, jenis asam, konsentrasi asam, rasio padat-cair, dll., dan peningkatan suhu serta konsentrasi larutan asam dan pengurangan jari-jari partikel kuarsa dapat meningkatkan laju pelindian dan tingkat pelarutan Al. Efek pemurnian asam tunggal terbatas, dan asam campuran memiliki efek sinergis, yang dapat sangat meningkatkan tingkat penghilangan unsur pengotor seperti Fe dan K. Asam anorganik umum adalah HF, H2SO4, HCl, HNO3, H3PO4, HClO4, H2C2O4, umumnya dua atau lebih di antaranya dicampur dan digunakan dalam proporsi tertentu.
Asam oksalat adalah asam organik yang umum digunakan untuk pelindian asam. Asam ini dapat membentuk kompleks yang relatif stabil dengan ion logam terlarut, dan pengotor mudah tercuci. Asam oksalat memiliki keunggulan dosis rendah dan tingkat penghilangan besi yang tinggi. Beberapa orang menggunakan ultrasonik untuk membantu pemurnian asam oksalat, dan menemukan bahwa dibandingkan dengan pengadukan konvensional dan ultrasonik tangki, ultrasonik probe memiliki tingkat penghilangan Fe tertinggi, dengan jumlah asam oksalat kurang dari 4 g/L, dan tingkat penghilangan besi mencapai 75,4%.
Kehadiran asam encer dan asam fluorida dapat secara efektif menghilangkan pengotor logam seperti Fe, Al, Mg, tetapi jumlah asam fluorida harus dikontrol karena asam fluorida dapat mengikis partikel kuarsa. Penggunaan berbagai jenis asam juga memengaruhi kualitas proses pemurnian. Di antaranya, campuran asam HCl dan HF memiliki efek pemrosesan terbaik. Beberapa orang menggunakan agen pelarut campuran HCl dan HF untuk memurnikan pasir kuarsa setelah pemisahan magnetik. Melalui pelarutan kimia, jumlah total unsur pengotor adalah 40,71 μg/g, dan kemurnian SiO2 mencapai 99,993 wt%.
(4) Pelindian mikroba
Mikroorganisme digunakan untuk melarutkan lapisan tipis besi atau mengimpregnasi besi pada permukaan partikel pasir kuarsa, yang merupakan teknik yang baru dikembangkan untuk menghilangkan besi. Studi di luar negeri menunjukkan bahwa penggunaan Aspergillus niger, Penicillium, Pseudomonas, Bacillus Polymyxin, dan mikroorganisme lainnya untuk melarutkan besi pada permukaan lapisan kuarsa telah mencapai hasil yang baik, di mana efek pelarutan besi oleh Aspergillus niger paling optimal. Tingkat penghilangan Fe2O3 sebagian besar di atas 75%, dan kadar konsentrat Fe2O3 serendah 0,007%. Dan ditemukan bahwa efek pelarutan besi dengan pra-kultivasi sebagian besar bakteri dan jamur akan lebih baik.
2.2 Kemajuan penelitian lain tentang pasir kuarsa untuk kaca fotovoltaik
Untuk mengurangi jumlah asam, mengurangi kesulitan pengolahan air limbah, dan ramah lingkungan, Peng Shou [5] dkk. mengungkapkan metode untuk menyiapkan pasir kuarsa rendah besi 10ppm dengan proses tanpa pengawetan: kuarsa urat alami digunakan sebagai bahan baku, dan penghancuran tiga tahap, penggilingan tahap pertama dan klasifikasi tahap kedua dapat menghasilkan butiran 0,1~0,7mm; butiran dipisahkan dengan pemisahan magnetik tahap pertama dan penghilangan besi mekanis dan mineral pembawa besi tahap kedua dengan magnet kuat untuk mendapatkan pasir pemisahan magnetik; pasir pemisahan magnetik diperoleh dengan flotasi tahap kedua, pasir kuarsa rendah besi 10ppm dengan kandungan Fe2O3 lebih rendah, flotasi menggunakan H2SO4 sebagai pengatur, menyesuaikan pH=2~3, menggunakan natrium oleat dan propilen diamina berbasis minyak kelapa sebagai kolektor. Pasir kuarsa yang telah disiapkan dengan kandungan SiO2≥99,9% dan Fe2O3≤10ppm, memenuhi persyaratan bahan baku silika yang dibutuhkan untuk kaca optik, kaca display fotolistrik, dan kaca kuarsa.
Di sisi lain, dengan menipisnya sumber daya kuarsa berkualitas tinggi, pemanfaatan komprehensif sumber daya kelas bawah telah menarik perhatian luas. Xie Enjun dari China Building Materials Bengbu Glass Industry Design and Research Institute Co., Ltd. menggunakan tailing kaolin untuk menyiapkan pasir kuarsa rendah besi untuk kaca fotovoltaik. Komposisi mineral utama tailing kaolin Fujian adalah kuarsa, yang mengandung sejumlah kecil mineral pengotor seperti kaolinit, mika, dan feldspar. Setelah tailing kaolin diproses melalui proses pengayaan "penggilingan-klasifikasi hidrolik-pemisahan magnetik-flotasi", kandungan ukuran partikel 0,6~0,125 mm lebih dari 95%, SiO2 99,62%, Al2O3 0,065%, Fe2O3 92×10-6 pasir kuarsa halus memenuhi persyaratan kualitas pasir kuarsa rendah besi untuk kaca fotovoltaik.
Shao Weihua dan rekan-rekannya dari Institut Pemanfaatan Sumber Daya Mineral Komprehensif Zhengzhou, Akademi Ilmu Geologi Tiongkok, menerbitkan paten penemuan: metode untuk menyiapkan pasir kuarsa kemurnian tinggi dari tailing kaolin. Langkah-langkah metode tersebut: a. Tailing kaolin digunakan sebagai bijih mentah, yang diayak setelah diaduk dan digosok untuk mendapatkan material +0,6 mm; b. Material +0,6 mm digiling dan diklasifikasikan, dan material mineral 0,4 mm - 0,1 mm dikenakan operasi pemisahan magnetik, untuk mendapatkan material magnetik dan non-magnetik, material non-magnetik memasuki operasi pemisahan gravitasi untuk mendapatkan mineral ringan hasil pemisahan gravitasi dan mineral berat hasil pemisahan gravitasi, dan mineral ringan hasil pemisahan gravitasi memasuki operasi penggilingan ulang untuk diayak untuk mendapatkan mineral +0,1 mm; c. Mineral +0,1 mm memasuki operasi flotasi untuk mendapatkan konsentrat flotasi. Air bagian atas konsentrat flotasi dihilangkan dan kemudian diasamkan secara ultrasonik, dan kemudian diayak untuk mendapatkan material kasar +0,1 mm sebagai pasir kuarsa kemurnian tinggi. Metode penemuan ini tidak hanya dapat menghasilkan produk konsentrat kuarsa berkualitas tinggi, tetapi juga memiliki waktu pemrosesan yang singkat, alur proses yang sederhana, konsumsi energi yang rendah, dan kualitas konsentrat kuarsa yang dihasilkan tinggi, yang dapat memenuhi persyaratan kualitas kuarsa dengan kemurnian tinggi.
Limbah kaolin mengandung sejumlah besar sumber daya kuarsa. Melalui pengolahan, pemurnian, dan pemrosesan lebih lanjut, limbah ini dapat memenuhi persyaratan untuk penggunaan sebagai bahan baku kaca ultra-putih fotovoltaik. Hal ini juga memberikan ide baru untuk pemanfaatan komprehensif sumber daya limbah kaolin.
3. Gambaran umum pasar pasir kuarsa rendah besi untuk kaca fotovoltaik
Di satu sisi, pada paruh kedua tahun 2020, kapasitas produksi yang dibatasi oleh ekspansi tidak mampu mengatasi permintaan yang sangat besar di tengah kemakmuran yang tinggi. Pasokan dan permintaan kaca fotovoltaik tidak seimbang, dan harganya meroket. Atas seruan bersama dari banyak perusahaan modul fotovoltaik, pada Desember 2020, Kementerian Perindustrian dan Teknologi Informasi mengeluarkan dokumen yang mengklarifikasi bahwa proyek kaca gulung fotovoltaik mungkin tidak dapat merumuskan rencana penggantian kapasitas. Dipengaruhi oleh kebijakan baru tersebut, tingkat pertumbuhan produksi kaca fotovoltaik akan diperluas mulai tahun 2021. Menurut informasi publik, kapasitas kaca gulung fotovoltaik dengan rencana produksi yang jelas pada tahun 2021/2022 akan mencapai 22.250/26.590 ton/hari, dengan tingkat pertumbuhan tahunan sebesar 68,4%/48,6%. Dengan adanya jaminan kebijakan dan permintaan, pasir fotovoltaik diperkirakan akan mengalami pertumbuhan yang eksplosif.
Kapasitas produksi industri kaca fotovoltaik tahun 2015-2022
Di sisi lain, peningkatan substansial dalam kapasitas produksi kaca fotovoltaik dapat menyebabkan pasokan pasir silika rendah besi melebihi kebutuhan, yang pada gilirannya membatasi produksi aktual kapasitas produksi kaca fotovoltaik. Menurut statistik, sejak tahun 2014, produksi pasir kuarsa domestik negara kita umumnya sedikit lebih rendah daripada permintaan domestik, dan pasokan serta permintaan tetap seimbang.
Pada saat yang sama, sumber daya endapan kuarsa rendah besi domestik negara kita langka, terkonsentrasi di Heyuan, Guangdong; Beihai, Guangxi; Fengyang, Anhui; dan Donghai, Jiangsu, dan sebagian besar perlu diimpor.
Pasir kuarsa ultra-putih rendah besi merupakan salah satu bahan baku penting (mencakup sekitar 25% dari biaya bahan baku) dalam beberapa tahun terakhir. Harganya pun terus meningkat. Di masa lalu, harganya sempat berada di kisaran 200 yuan/ton untuk waktu yang lama. Setelah merebaknya pandemi COVID-19 pada kuartal pertama tahun 2020, harganya turun dari level tinggi, dan saat ini berada pada level stabil.
Pada tahun 2020, permintaan pasir kuarsa di negara saya secara keseluruhan akan mencapai 90,93 juta ton, produksi akan mencapai 87,65 juta ton, dan impor bersih akan mencapai 3,278 juta ton. Menurut informasi publik, jumlah batu kuarsa dalam 100 kg kaca cair sekitar 72,2 kg. Menurut rencana ekspansi saat ini, peningkatan kapasitas kaca fotovoltaik pada tahun 2021/2022 dapat mencapai 3,23/24500 ton/hari, menurut produksi tahunan yang dihitung selama periode 360 hari, total produksi akan sesuai dengan peningkatan permintaan pasir silika rendah besi sebesar 836/635 juta ton/tahun, yaitu, permintaan baru pasir silika rendah besi yang dibawa oleh kaca fotovoltaik pada tahun 2021/2022 akan mencakup 9,2%/7,0% dari total permintaan pasir kuarsa pada tahun 2020. Mengingat bahwa pasir silika rendah besi hanya mencakup sebagian dari total permintaan pasir silika, tekanan penawaran dan permintaan pada pasir silika rendah besi yang disebabkan oleh investasi besar-besaran kapasitas produksi kaca fotovoltaik mungkin jauh lebih tinggi daripada tekanan pada industri pasir kuarsa secara keseluruhan.
—Artikel dari Powder Network
Waktu posting: 11 Desember 2021