Mineralogical and Geochemical Controls on the Sustainable Beneficiation of Hydrothermal Quartz from Egyptian Eastern Desert for advanced Applications

تعتمد الصناعات عالية التقنية على مادة هي في آن واحد قديمة وأساسية: الكوارتز. وبينما يعرف معظم الناس الكوارتز كبلورات شفافة صلبة توجد في مجاري الأنهار أو كمكون رئيسي للزجاج العادي، فإن درجة محددة تُعرف باسم "الكوارتز عالي النقاء" تشكل العمود الفقري للإلكترونيات الحديثة. هذه المادة مطلوبة لتصنيع رقائق السيليكون التي تشغل الألواح الشمسية، والعدسات في كابلات الألياف الضوئية، والبواتق المستخدمة لنمو البلورات الأحادية لرقائق الكمبيوتر. ولكي يعمل في هذه التطبيقات الدقيقة، يجب أن يكون الكوارتز خالياً تماماً من العناصر الأخرى تقريباً؛ إذ يمكن لأي كميات ضئيلة من الحديد أو الألومنيوم أن تتلف المنتج النهائي، مما يتسبب في فشله تحت تأثير الحرارة الشديدة والإجهاد الكهربائي أثناء التصنيع. ولعقود من الزمن، اعتمد العالم على عدد قليل جداً من الرواسب، بشكل أساسي في الولايات المتحدة والنرويج وروسيا، لتوريد هذا المورد الحيوي. ومع نمو الطلب مع توسع الطاقة المتجددة والتكنولوجيا الرقمية، يبحث العلماء عن مصادر جديدة يمكنها تلبية معايير النقاء الصارمة هذه دون الحاجة إلى محطات معالجة ضخمة تستهلك كميات كبيرة من المياه.

وفي المشهد القاحل للصحراء الشرقية في مصر، وجه فريق من الباحثين اهتمامهم إلى عرق كبير من الكوارتز يُعرف باسم "مرويت السويقات". هذا الرواسب ليس رمالاً رسوبية نموذجية أو تشكيلاً صخرياً شائعاً؛ بل هو عرق حراري مائي (hydrothermal vein)، مما يعني أنه تشكل عندما ارتفقت سوائل غنية بالسيليكا عبر الشقوق في قشرة الأرض ثم بردت، تاركة وراءها جسماً ضخماً من الكوارتز البلوري. جيولوجيا المنطقة معقدة، وتتضمن صخوراً جرانيتية قديمة تعرضت للضغط والتصدع بفعل القوى التكتونية على مدى ملايين السنين. أدرك الباحثون أنه بينما بدا الكوارتز الخام واعداً، فإن بنيته الداخلية والطريقة المحددة التي حُبست بها الشوائب داخله هي التي ستحدد ما إذا كان يمكن ترقيته إلى المعيار فائق النقاء المطلوب للاستخدام عالي التقنية. كان التحدي يكمن في فهم مكان وجود العناصر غير المرغوب فيها داخل الصخر بالضبط، وإيجاد طريقة لإزالتها دون استخدام الماء، وهو مورد نادر في الصحراء.

بدأ الفريق بفحص الكوارتز تحت مجاهر قوية وإجراء اختبارات كيميائية لرسم خريطة لتكوينه. وجدوا أن المادة الخام كانت نقية بالفعل، حيث تتكون من حوالي 99.45 بالمائة من ثاني أكسيد السيليكون. ومع ذلك، فإن الجزء المتبقي احتوى على شوائب يجب إزالتها. لم تكن هذه الشوائب مختلطة بشكل متساوٍ في جميع أنحاء الصخر؛ بل كانت مركزة في أماكن محددة. فقد وُجدت أكاسيد الحديد، التي تمنح الكوارتز لوناً مائلاً للاحمرار، ومعادن مثل الميكا والفلدسبار، متجمعة على طول الحدود حيث تلتقي بلورات الكوارتز الفردية، وكذلك داخل الشقوق والكسور الصغيرة داخل البلورات نفسها. كما حدد الباحثون "المشتملات السائلة" (fluid inclusions)، وهي جيوب مجهرية من السائل والغاز حُبست داخل الكوارتز عند تشكله، وتحمل أملاحاً ومعادن مذابة. كان فهم هذا التوزيع أمراً حاسماً لأنه يعني أنه إذا أمكن تفتيت الصخر بما يكفي للكشف عن هذه الحدود، فيمكن فصل الشوائب فيزيائياً بدلاً من الحاجة إلى معالجات كيميائية قاسية.

ولاختبار هذه الفكرة، أخذ الباحثون عينات من الكوارتز وسحقوها إلى أحجام محددة، تتراوح من الحبيبات الخشنة إلى المسحوق الناعم. ثم أخضعوا هذه العينات لعملية فصل مغناطيسي جاف وعالي الكثافة. تستخدم هذه التقنية مغانط قوية لسحب الجسيمات المغناطيسية، مثل أكاسيد الحديد وأنواع معينة من الميكا، بينما تسمح للكوارتز غير المغناطيسي بالمرور. ولأن العملية جافة، فهي مناسبة تماماً للبيئة الشحيحة المياه في الصحراء المصرية. لم يقم الفريق بتشغيل الآلات مرة واحدة فحسب؛ بل قاموا بضبط الإعدادات بعناية، وتغيير سرعة حزام النقل وزاوية الفاصل الذي يوجه المادة، لمعرفة كيف تؤثر هذه العوامل على إزالة الشوائب. واستخدموا نماذج إحصائية للتنبؤ بأفضل مجموعة من الإعدادات، معاملين العملية كآلة دقيقة الضبط حيث تهم كل درجة من الزاوية وكل دورة في الدقيقة.

كانت نتائج هذا التحسين مذهلة. فمن خلال إيجاد التوازن الدقيق بين سرعة الحزام وزاوية الفاصل، تمكن الباحثون من تجريد الكوارتز من الغالبية العظمى من العناصر غير المرغوب فيها. وفي أفضل الحالات، أزالوا ما يقرب من 99 بالمائة من أكاسيد الحديد والألومنيوم من الكوارتز. كانت النتيجة النهائية عبارة عن مركز يتمتع بمستوى نقاء يتجاوز 99.95 بالمائ %، وهو ما يلبي المعايير الدولية الصارمة للكوارتز عالي النقاء. وأظهرت الدراسة أن الحبيبات الخشنة من الكوارتز كانت الأسهل في التنظيف، حيث حققت أعلى درجة من النقاء مع أقل قدر من فقدان المواد، بينما تطلبت الحبيبات الأكثر نعومة إعدادات مختلفة قليلاً لتحقيق نتائج مماثلة. وأكدت النماذج الإحصائية أن هذه النتيات لم تكن عرضية، بل كانت نتيجة لطريقة قوية وقابلة للتكرار يمكن رفع نطاقها للاستخدام الصناعي.

يبرهن هذا العمل على أن رواسب "مرويت السويقات" تعد مصدراً قابلاً للتطبيق للإمداد العالمي للمواد الخام عالية التقنية. ومن خلال إثبات أن عملية الفصل المغناطيسي الجاف يمكن أن ترتقي بالكوارتز المصري إلى درجة مناسبة لأشباه الموصلات والخلايا الشمسية، تقدم الدراسة بديلاً مستداماً لطرق المعالجة الرطبة التقليدية. كما تشير إلى أنه مع الفهم الجيولوجي الصحيح والهندسة الدقيقة، يمكن لمناطق جديدة أن تنضم إلى السوق العالمية للمعادن الحرجة، مما يؤدي إلى تنويع سلسلة التوريد وتقليل الضغط على المصادر الموجودة. وتؤكد النتائج أن الكوارتز من هذا العرق الصحراوي ليس مجرد فضول جيولوجي، بل هو مورد استراتيجي قادر على دعم التقنيات المتقدمة التي تقود العالم الحديث.