Sustainable Regeneration of High-Purity Quartz Sand from Silica Waste via Purification System and Sol-gel Method

في العالم الحديث، تعتمد الأجهزة التي تشغل ألواحنا الشمسية وتدير حواسيبنا على مادة واحدة بسيطة المظهر: السيليكون. ولصنع رقائق السيليكون فائقة النقاء اللازمة لهذه التقنيات، يجب على المصنعين صهر المادة في حاويات ضخمة تسمى البواتق. تُصنع هذه البواتق من رمل الكوارتز عالي النقاء، وهو مسحوق كثيف من ثاني أكسيد السيليكون يجب أن يكون خالياً من جميع الشوائب تقريباً. فإذا تسللت كميات ضئيلة حتى من عناصر أخرى مثل الحديد أو الألومنيوم إلى الخليط، يمكنها إفساد بلورة السيليكون، مما يؤدي إلى فشل الخلايا الشمسية أو الرقائق الحاسوبية باهظة الثمن. لعقود من الزمن، اعتمدت الصناعة على طريقتين للحصول على هذا الرمل: إما تعدين عروق الكوارتز النادرة والطبيعية وتكريرها، أو تصنيعه من الصفر باستخدام مواد كيميائية باهظة الثمن وفائقة النقاء. وكلا الطريقتين تواجهان طريقاً مسدوداً؛ فالمناجم الطبيعية الأفضل بدأت تنضب، والمواد الكيميائية اللازمة لبناء الرمل الاصطناعي من الصفر تستهلك طاقة هائلة ومكلفة الإنتاج. ومع تزايد الطلب على الطاقة المتجددة والتكنولوجيا الرقمية، تتسع الفجوة بين الحاجة إلى هذه المادة والقدرة على توريدها، مما يخلق عنق زجاجة للاقتصاد الأخضر بأكاسره.

اقترح فريق من الباحثين في جامعة تشجيانغ مساراً مختلفاً، مساراً يحول مشكلة النفايات إلى حل. فبدلاً من الحفر بشكل أعمق في الأرض أو شراء مواد كيميائية أكثر تكلفة، نظروا إلى جبال نفايات السيليكا الناتجة عن الصناعات التي تحتاج إلى هذا الرمل نفسها. ففي كل عام، تنتج قطاعات الخلايا الكهروضوئية وأشباه الموصلات كميات هائلة من النفايات الصلبة، والتي يكون الكثير منها بالفعل بنسبة نقاء تزيد عن 95 بالمائة من ثاني أكسيد السيليكون، ولكن يتم التخلص منها لأنها مختلطة بمواد أخرى أو ذات شكل غير مطلوب. سأل الباحثون سؤالاً بسيطاً: هل يمكن تحويل هذا "القمامة" منخفضة القيمة إلى الرمل عالي الجودة المطلوب لأكثر تقنيات العالم تقدماً؟ كانت إجابتهم "نعم" قاطعة، وقد تحقق ذلك من خلال عملية تذيب النفايات، وتغسلها بعمق، ثم تعيد بناءها في شكل جديد.

تبدأ الرحلة بثلاثة أنواع من المواد العادمة الموجودة عادة في الصناعة: غبار السيليكا (silica fume)، وهو مسحوق ناعم ينتج أثناء إنتاج السيليكون؛ ورمل الكوارتز الطبيعي؛ وقطع من منتجات الكوارتز النهائية. حاول الفريق أولاً تنظيف هذه المواد باستخدام الطرق القياسية، عبر طحنها وغسلها بالحمض. وبينما أدى ذلك إلى تحسين النقاء، إلا أنه اصطدم بسقف صعب؛ فقد استطاع الحمض غسل الأوساخ السطحية، لكنه لم يستطع الوصول إلى الشوائب المحبوسة داخل البنية البلورية للرمل أو العالقة في جيوب صغيرة من السائل داخل الحبيبات. ومهما حاولوا، لم تتمكن المادة من الوصول إلى درجة النقاء القصوى المطلوبة لتصنيع أشباه الموصلات. أدرك الباحثون أنه لكسر هذا الحاجز، كان عليهم تغيير حالة المادة تماماً؛ فقد كانوا بحاجة إلى تحويل النفايات الصلبة إلى سائل، حيث يمكن فصل كل شائبة، قبل تحويلها مرة أخرى إلى مادة صلبة.

ولتحقيق ذلك، استخدم الفريق خدعة كيميائية قوية؛ حيث وضعوا المواد العادمة في وعاء محكم الإغلاق مع محلول من هيدروكسيد الصوديوم، وهو قاعدة قوية شائعة، وسخنه إلى 200 درجة مئوية. وتحت هذه الظروف، ذاب السيليكا الصلب، محطماً بنيته الصلبة ومتحولاً إلى خليط سائل. ومع ذلك، لم تتفاعل جميع النفايات بنفس الطريقة؛ فقد ذاب غبار السيليكا الناعم تماماً، بينما ذاب رمل الكوارتز الطبيعي جزئياً فقط، مكوناً هلاماً (جل) سميكاً. أما قطع منتجات الكوارتز النهائية فبالكاد تفاعلت، إذ قاومت الهجوم الكيميائي بسبب بنيتها الكثيفة والمتراصة. وقد حدد الباحثون أن غبار السيليكا هو المرشح الأفضل لهذه العملية لأنه يذوب بسهء وسهولة وبشكل كامل، مما يطلق جميع الشوائب المحاصرة بداخله في المحلول السائل.

بمجرد إذابة غبار السيليكا، احتوى السائل على السيليكون الذي أرادوه، ولكنه كان مليئاً أيضاً بأيونات معدنية غير مرغوب فيها مثل الصوديوم والحديد والألومنيوم. ولتنقية السائل، مرره الفريق عبر سلسلة من المرشحات المتخصصة المصنوعة من راتنج التبادل الأيوني. تعمل هذه الراتنجات مثل "إسفنجات" عالية الانتقائية تلتقط أيونات معدنية محددة وتتمسك بها بقوة بينما تسمح للسيليكون بالمرور. كانت العملية دقيقة؛ فإذا أصبح السائل شديد الحموضة أو شديد التركيز، سيبدأ السيليكون في التكتل والتحول إلى هلام قبل تنظيفه بالكامل، مما يحبس الشوائب بداخله. ولمنع حدة ذلك، تحكم الباحثون بعناوة في درجة الحرارة، حيث حافظوا عليها باردة، وعدلوا حموضة السائل أثناء تدفقه عبر المرشحات. واستخدموا تسلسلاً من الراتنجات المختلفة، كل منها مصمم لالتقاط أنواع معينة من الملوثات، مما أدى إلى تجريد المحلول إلى مستوى من النقاء لم يسبق له مثيل في المواد المشتقة من النفايات.

كانت نتيجة هذا التنظيف الصارم عبارة عن محلول سيليكا سائل نقي للغاية لدرجة أنه يحتوي على شوائب بمستويات تقل عن جزء واحد في المليون. في الواقع، وصل المحلول إلى مستوى نقاء "السبع تسعات"، مما يعني أنه نقي بنسبة 99.99999 بالمائة من ثاني أكسيد السيليكون. تمت بعد ذلك معالجة هذا السائل بكمية ضئيلة من حمض الهيدروفلوريك لتشجيع جزيئات السيليكون على الارتباط ببعضها البعض في شبكة صلبة، مكونة هلاماً. جُفف هذا الهلام ثم سُخن إلى 1,000 درجة مئوية. ومع تبخر الماء وخبز المادة، انكمش الهلام واندمج ليصبح مسحوقاً صلباً كثيفاً. كان المنتج النهائي عبارة عن رمل كوارتز عالي النقاء يبدو ويتصرف تماماً مثل أفضل أنواع الرمل الطبيعي، ولكن دون العيوب. وتحت المجهر، ظهر الرمل الجديد في شكل حبيبات ناعمة ومتراصة بإحكام دون شقوق أو فقاعات، وأكدت الاختبارات الكيميائية أن إجمالي الشوائب المعدنية كان ضئيلاً جداً.

يبرهن هذا العمل على أن الصناعة لا تحتاج إلى الاعتماد فقط على الموارد الطبيعية الناضبة أو المواد الكيميائية الأولية باهظة الثمن لتأمين مستقبلها. فمن خلال أخذ النفايات الناتجة عن صناعات الخلايا الكهروضوئية وأشباه الموصلات وإخضاعها لدورة محكومة من الإذابة والتنظيف وإعادة البناء، أظهر الباحثون مساراً قابلاً للتطبيق لتحويل النفايات إلى مادة استراتيجية. تتجاوز هذه العملية قيود الخام الطبيعي، الذي غالباً ما يحتوي على شوائب لا يمكن إزالتها، وتتجنب التكاليف العالية للبدء بمواد كيميائية بكر. إنها تقدم طريقة لإغلاق الحلقة، وتحويل المنتجات الثانوية للتصنيع عالي التقنية إلى المواد الخام اللازمة للجيل القادم من التكنولوجيا. وجد الباحثون أن هذه الطريقة ليست فعالة فحسب، بل هي أيضاً قابلة للتكيف، مما يشير إلى إمكانية معالجة أنواع أخرى من نفايات السيليكا بنفس الطريقة. وفي عالم ينمو فيه الطلب على الطاقة النظيفة والحوسبة المتقدمة بشكل أسرع من إمدادات المواد الخام، يوفر هذا النهج حلاً مرناً ومستداماً ودائرياً لعنق زجاجة حرج.