تويت
السيليكا هو الاسم الذي يطلق على مجموعة المعادن التي تتكون من السيليكون والأكسجين (الكوارتز مثلًا)، اللذين يُعدان العنصرين الأكثر وفرةً في القشرة الأرضية. نجد السيليكا بشكل شائع في الحالة الكريستالية ونادرًا في الحالة اللابلورية. تتكون المادة من ذرة سيليكون وذرتي أكسجين، ويعبر عنها بالرمز الكيميائي SiO2.
أولى الاستخدامات الصناعية لكريستالات السيليكا كانت متعلقة على الأرجح بمعالجة المعادن وصناعة الزجاج، ويرجع ذلك من ثلاثة آلاف إلى خمسة آلاف سنة قبل الميلاد. استمرت المادة في دعم التطور البشري عبر التاريخ، بكونها مادة خام مفتاحية في التطور الصناعي للعالم خصوصًا في صناعة الزجاج وسبك المعادن والسيراميك. وتساهم السيليكا اليوم في الثورة المعلوماتية-التكنولوجية باستخدامها في المواد البلاستيكية لفأرات الحاسوب، وتشكل المادة الخام الأساسية لرقائق السيليكون.
الجيولوجيا وبروز السيليكا الصناعية:
نجد السيليكا في تسعة أشكال كريستالية ومختلفة، مع ثلاثة أشكال رئيسية هي الكوارتز (المرو)، الذي يعتبر من أكثر الأنواع شيوعًا، بالإضافة إلى التريدمايت والكريستوباليت. كما يمكننا أن نجد السيليكا أيضًا في أشكال خفية البلورات (كريبتوكريستالينية). إن الأشكال الليفية تحمل اسم “العقيق الأبيض” وتشكل أحجارًا شبه كريمة مثل الآجايت والعقيق اليماني والكارنيليان.
الأصناف المحببة من أحجار السيليكا تشمل اليشب والصوان. نجد كذلك أشكالًا لامائية للسيليكا مثل الدياتوميت والأوبال بشكل خاص. يعتبر الكوارتز ثاني أكثر المعادن شيوعًا في القشرة الأرضية. إذ يمكننا إيجاده في الأنواع الثلاثة للصخور الأرضية وهي المتحولة والنارية والرسوبية. يسود بشكلٍ خاص في الصخور الرسوبية لأنه مقاوم شديد للتفككات الكيميائية والفيزيائية بسبب عوامل التجوية.
وبما أنه شائع على نطاق واسع، يوجد الكوارتز في كل عمليات التعدين تقريبًا. كما يوجد في الصخور المضيفة وفي المعادن الخام التي يتم استخراجها، وأيضًا في التربة والمواد السطحية عند أعلى الصخر الأديم (الأساسي)، والتي تسمى “بالمثقَلَة – The overburden”.
معظم المواد التي يتم بيعها لأغراضٍ صناعية يطلق عليها اسم “رمل السيليكا”. كلمة “رمل” تنطبق على المواد التي يتراوح حجم حبيباتها بين 0.06-2.00 ميليمتر. يكون السيليكا في الرمل عادة بالشكل الكريستالي للكوارتز. في الاستخدامات الصناعية، يمكن للسيليكا الخام أن تنتج ما يقارب 95% من الـ SiO2 المطلوبة. يمكن أن تتطلب العملية درجة نقاءٍ أكبر غالبًا. كما يمكن إنتاج رمل السيليكا من الأحجار الرملية والكوارتز والرواسب الرملية غير المجمعة.
إن النوعية الجيدة من السيليكا توجد بشكلٍ طبيعي في الرواسب غير المجمعة تحت طبقات رقيقة من المواد المثقلة. وتوجد أيضًا على هيئة “عروق” من الكوارتز في أحجار أخرى، ويمكن أن يصل سمك هذه العروق إلى عدة أمتار. وفي بعض المناسبات يتطلب إنتاج كوارتز على شكل قطع فائقة النقاء ويتم ذلك عبر استخدام صخور الكوارتز، إذ يتم استخراج السيليكا عادة من خلال المقالع ومن النادر أن تستخرج عبر التعدين تحت سطح الأرض.
الخصائص الفيزيائية والكيميائية
الأشكال الثلاثة الرئيسية لكريستالات السيليكا – الكوارتز والتريدمايت والكريستوباليت – ثابتة عند درجات حرارة مختلفة وتمتلك تقسيمات. فعلى سبيل المثال، يفرق علماء الجيولوجيا بين الألفا والبيتا كوارتز. فعند تسخين ألفا كوارتز ذات الدرجة المنخفضة على ضغط جوي يصل إلى 573oC تتحول إلى بيتا كوارتز. وعند الدرجة 870oC يتشكل التريدمايت ويتشكل الكريستوباليت بدوره عند 1470oC.
درجة ذوبان السيليكا هي 1610oC وهي أعلى بكثير من درجة ذوبان الحديد والنحاس والألمنيوم، وهذا هو السبب الرئيسي الذي جعلها تستخدم لإنتاج قوالب ونوى المسبوكات المعدنية. إن الشكل الكريستالي (البلوري) للكوارتز مبني على أساس أربع ذرات أكسجين مرتبطة ببعضها بعضًا لتشكل شكلًا ثلاثي الأبعاد يسمى بالشكل رباعي الأوجه مع ذرة سيليكون واحدة في المركز. تتصل أعداد لا تحصى من رباعيات الأوجه تلك عبر زوايا ذرات الأكسجين لتشكيل كريستال (بلورة) الكوراتز.
إن الكوارتز عديم اللون عادة؛ لكن نجده بأشكالٍ ملونة في بعض الأحيان عند دخول بعض الشوائب عليه مثل الحديد، فيمكن أن نجده إذًا بأي لون. إن الكوارتز مادة شفافة إلى نصف شفافة، ولذلك يستخدم في صناعة الزجاج. يصنف الكوارتز كمعدن صلب، وتعود صلابته إلى قوة الروابط بين ذراته.
وهو مادة خاملة نسبيًا؛ لا يتفاعل مع الحمض المخفف. هذه الصفات مهمة للغاية للعديد من الاستخدامات الصناعية. بالاعتماد على طريقة تشكل رواسب السيليكا. يمكن لحبيبات الكوارتز أن تتخذ أشكالًا متعددة، فنجدها تارة حادة أو على شكلٍ زاوي أو شبه زاوي أو مدورة أو شبه مدورة. إن عمليات السبك والترشيح تتطلب حبيبات مدورة وشبه مدورة لأداءٍ مثالي.
تقنيات المعالجة:
يتم استخراج السيليكا عادةً من المحاجر وقد يتطلب الأمر عملية معالجة كبيرة قبل البيع. أهداف العملية تكمن في تنقية حبيبات الكوارتز ورفع نسبة السيليكا فيها، وذلك من أجل إنتاج حجم التوزيع المثالي للمنتج وخفض نسبة الشوائب ، خاصة الحديد والكروم اللذين يمنحان الزجاج لونًا خاصًا.
إن تنقية حبيبات الكوارتز ورفع نسبة السيليكا فيها تتم عبر الغسل من أجل نزع المعادن الطينية والحك عبر تطبيق قوى الاحتكاك بين الجسيمات. إن إنتاج حجم التوزيع المثالي يتم عبر الغربلة لنزع الجسيمات الغليظة غير المرغوب فيها وتمريرها عبر تيار متصاعد من المياه من أجل نزع المواد الرقيقة.
تتلون حبيبات الكوارتز غالبًا بالحديد ويمكن نزع ذلك اللون عبر تفاعلٍ كيميائي من خلال استخدام حمض الكبريت على عدة درجات حرارية. إن الشوائب الموجودة في الكوارتز على شكل جسيمات معدنية منفصلة يمكن نزعها باستخدام تقنيات مختلفة مثل الفصل الجاذبي والتعويم الزبدي والفصل المغناطيسي.
ومن أجل الحصول على درجة نقاءٍ أعلى لاستخدامها في الأجهزة الإلكترونية مثلًا، يمكن استخدام أحماض أكثر قوة مثل حمض الهيدروفلوريك بالإضافة إلى الصدمات الحرارية.
وبعد عملية التنقية يكون الرمل جافًا، وتتطلب بعض التطبيقات أن يتم طحنه لإنتاج مواد رقيقة للغاية، يطلق عليها اسم دقيق السيليكا. يمكن تحويل الكوارتز كذلك إلى كريستوباليت في فرنٍ دوار يعمل على درجات حرارة مرتفعة، مع إدراج مواد كيميائية محفزة. كما أن بعض التطبيقات تتطلب أن يتم تذويب الكوارتز في أفران القوس الكهربائية ليتم تبريدها وطحنها بعد ذلك لإنتاج صهارة السيليكا.
أولى الاستخدامات الصناعية لكريستالات السيليكا كانت متعلقة على الأرجح بمعالجة المعادن وصناعة الزجاج، ويرجع ذلك من ثلاثة آلاف إلى خمسة آلاف سنة قبل الميلاد. استمرت المادة في دعم التطور البشري عبر التاريخ، بكونها مادة خام مفتاحية في التطور الصناعي للعالم خصوصًا في صناعة الزجاج وسبك المعادن والسيراميك. وتساهم السيليكا اليوم في الثورة المعلوماتية-التكنولوجية باستخدامها في المواد البلاستيكية لفأرات الحاسوب، وتشكل المادة الخام الأساسية لرقائق السيليكون.
الجيولوجيا وبروز السيليكا الصناعية:
نجد السيليكا في تسعة أشكال كريستالية ومختلفة، مع ثلاثة أشكال رئيسية هي الكوارتز (المرو)، الذي يعتبر من أكثر الأنواع شيوعًا، بالإضافة إلى التريدمايت والكريستوباليت. كما يمكننا أن نجد السيليكا أيضًا في أشكال خفية البلورات (كريبتوكريستالينية). إن الأشكال الليفية تحمل اسم “العقيق الأبيض” وتشكل أحجارًا شبه كريمة مثل الآجايت والعقيق اليماني والكارنيليان.
الأصناف المحببة من أحجار السيليكا تشمل اليشب والصوان. نجد كذلك أشكالًا لامائية للسيليكا مثل الدياتوميت والأوبال بشكل خاص. يعتبر الكوارتز ثاني أكثر المعادن شيوعًا في القشرة الأرضية. إذ يمكننا إيجاده في الأنواع الثلاثة للصخور الأرضية وهي المتحولة والنارية والرسوبية. يسود بشكلٍ خاص في الصخور الرسوبية لأنه مقاوم شديد للتفككات الكيميائية والفيزيائية بسبب عوامل التجوية.
وبما أنه شائع على نطاق واسع، يوجد الكوارتز في كل عمليات التعدين تقريبًا. كما يوجد في الصخور المضيفة وفي المعادن الخام التي يتم استخراجها، وأيضًا في التربة والمواد السطحية عند أعلى الصخر الأديم (الأساسي)، والتي تسمى “بالمثقَلَة – The overburden”.
معظم المواد التي يتم بيعها لأغراضٍ صناعية يطلق عليها اسم “رمل السيليكا”. كلمة “رمل” تنطبق على المواد التي يتراوح حجم حبيباتها بين 0.06-2.00 ميليمتر. يكون السيليكا في الرمل عادة بالشكل الكريستالي للكوارتز. في الاستخدامات الصناعية، يمكن للسيليكا الخام أن تنتج ما يقارب 95% من الـ SiO2 المطلوبة. يمكن أن تتطلب العملية درجة نقاءٍ أكبر غالبًا. كما يمكن إنتاج رمل السيليكا من الأحجار الرملية والكوارتز والرواسب الرملية غير المجمعة.
إن النوعية الجيدة من السيليكا توجد بشكلٍ طبيعي في الرواسب غير المجمعة تحت طبقات رقيقة من المواد المثقلة. وتوجد أيضًا على هيئة “عروق” من الكوارتز في أحجار أخرى، ويمكن أن يصل سمك هذه العروق إلى عدة أمتار. وفي بعض المناسبات يتطلب إنتاج كوارتز على شكل قطع فائقة النقاء ويتم ذلك عبر استخدام صخور الكوارتز، إذ يتم استخراج السيليكا عادة من خلال المقالع ومن النادر أن تستخرج عبر التعدين تحت سطح الأرض.
الخصائص الفيزيائية والكيميائية
الأشكال الثلاثة الرئيسية لكريستالات السيليكا – الكوارتز والتريدمايت والكريستوباليت – ثابتة عند درجات حرارة مختلفة وتمتلك تقسيمات. فعلى سبيل المثال، يفرق علماء الجيولوجيا بين الألفا والبيتا كوارتز. فعند تسخين ألفا كوارتز ذات الدرجة المنخفضة على ضغط جوي يصل إلى 573oC تتحول إلى بيتا كوارتز. وعند الدرجة 870oC يتشكل التريدمايت ويتشكل الكريستوباليت بدوره عند 1470oC.
درجة ذوبان السيليكا هي 1610oC وهي أعلى بكثير من درجة ذوبان الحديد والنحاس والألمنيوم، وهذا هو السبب الرئيسي الذي جعلها تستخدم لإنتاج قوالب ونوى المسبوكات المعدنية. إن الشكل الكريستالي (البلوري) للكوارتز مبني على أساس أربع ذرات أكسجين مرتبطة ببعضها بعضًا لتشكل شكلًا ثلاثي الأبعاد يسمى بالشكل رباعي الأوجه مع ذرة سيليكون واحدة في المركز. تتصل أعداد لا تحصى من رباعيات الأوجه تلك عبر زوايا ذرات الأكسجين لتشكيل كريستال (بلورة) الكوراتز.
إن الكوارتز عديم اللون عادة؛ لكن نجده بأشكالٍ ملونة في بعض الأحيان عند دخول بعض الشوائب عليه مثل الحديد، فيمكن أن نجده إذًا بأي لون. إن الكوارتز مادة شفافة إلى نصف شفافة، ولذلك يستخدم في صناعة الزجاج. يصنف الكوارتز كمعدن صلب، وتعود صلابته إلى قوة الروابط بين ذراته.
وهو مادة خاملة نسبيًا؛ لا يتفاعل مع الحمض المخفف. هذه الصفات مهمة للغاية للعديد من الاستخدامات الصناعية. بالاعتماد على طريقة تشكل رواسب السيليكا. يمكن لحبيبات الكوارتز أن تتخذ أشكالًا متعددة، فنجدها تارة حادة أو على شكلٍ زاوي أو شبه زاوي أو مدورة أو شبه مدورة. إن عمليات السبك والترشيح تتطلب حبيبات مدورة وشبه مدورة لأداءٍ مثالي.
تقنيات المعالجة:
يتم استخراج السيليكا عادةً من المحاجر وقد يتطلب الأمر عملية معالجة كبيرة قبل البيع. أهداف العملية تكمن في تنقية حبيبات الكوارتز ورفع نسبة السيليكا فيها، وذلك من أجل إنتاج حجم التوزيع المثالي للمنتج وخفض نسبة الشوائب ، خاصة الحديد والكروم اللذين يمنحان الزجاج لونًا خاصًا.
إن تنقية حبيبات الكوارتز ورفع نسبة السيليكا فيها تتم عبر الغسل من أجل نزع المعادن الطينية والحك عبر تطبيق قوى الاحتكاك بين الجسيمات. إن إنتاج حجم التوزيع المثالي يتم عبر الغربلة لنزع الجسيمات الغليظة غير المرغوب فيها وتمريرها عبر تيار متصاعد من المياه من أجل نزع المواد الرقيقة.
تتلون حبيبات الكوارتز غالبًا بالحديد ويمكن نزع ذلك اللون عبر تفاعلٍ كيميائي من خلال استخدام حمض الكبريت على عدة درجات حرارية. إن الشوائب الموجودة في الكوارتز على شكل جسيمات معدنية منفصلة يمكن نزعها باستخدام تقنيات مختلفة مثل الفصل الجاذبي والتعويم الزبدي والفصل المغناطيسي.
ومن أجل الحصول على درجة نقاءٍ أعلى لاستخدامها في الأجهزة الإلكترونية مثلًا، يمكن استخدام أحماض أكثر قوة مثل حمض الهيدروفلوريك بالإضافة إلى الصدمات الحرارية.
وبعد عملية التنقية يكون الرمل جافًا، وتتطلب بعض التطبيقات أن يتم طحنه لإنتاج مواد رقيقة للغاية، يطلق عليها اسم دقيق السيليكا. يمكن تحويل الكوارتز كذلك إلى كريستوباليت في فرنٍ دوار يعمل على درجات حرارة مرتفعة، مع إدراج مواد كيميائية محفزة. كما أن بعض التطبيقات تتطلب أن يتم تذويب الكوارتز في أفران القوس الكهربائية ليتم تبريدها وطحنها بعد ذلك لإنتاج صهارة السيليكا.