Como calcular a pureza da sílica (SiO₂) de materiais de quartzo

Para começar, é necessário um relatório GDMS (Glow Discharge Mass Spectrometry). Este pode ser utilizado para fazer uma estimativa preliminar da pureza teórica da sílica (SiO₂). No entanto, é necessário ter em atenção as seguintes limitações e métodos de cálculo:

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Relatório GDMS

1. Exemplo de método para estimar a pureza do SiO₂

(1) Método de cálculo direto (Método da dedução do elemento principal)

Pressuposto:
O principal componente do tubo de quartzo é o SiO₂, e todos os outros elementos são considerados impurezas.

Fórmula:
Pureza de SiO₂ ≈ 100% - Σ (teor de todos os elementos de impureza)

Etapas de cálculo:

1. Extrair do relatório o teor de todos os elementos de impureza, com exceção do oxigénio e do silício (em ppm por peso).
2. Somar os teores de impurezas para obter o teor total de impurezas.
3. Subtrair a percentagem total de impurezas (ppm ÷ 10.000) de 100%.

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(2) Cálculo efetivo (com base nos dados do relatório)

Determinar a quantidade total de impurezas detectadas (unidade: ppm):

Li (0,16) + B (1,1) + Na (0,29) + Mg (0,05) + Al (11) + Ti (3,4) + K (0,58) + outros limites superiores (por exemplo, Fe <0,5, Cr <0,5...)

≈ 0,16 + 1,1 + 0,29 + 0,05 + 11 + 3,4 + 0,58 + 0,5 (Fe) + 0,5 (Cr) + 0,05 (Ni) + 0,1 (Cu) + 1 (Ca)

≈ 18,73 ppm (estimativa prudente, calculada com base nos limites superiores)

SiO₂ Pureza:
100% - (18,73 ÷ 10.000) = 99.8127%

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(3) Factores de correção

• Elementos não detectados: Os elementos marcados com "-" no relatório (tais como Au, Hg, etc.) podem estar abaixo do limite de deteção do instrumento, mas não são contabilizados no total de impurezas.
• Teor de oxigénio não quantificado: O relatório apenas assinala o oxigénio como um "componente principal", mas no SiO₂ real, o oxigénio representa 53,2% da sua composição (é necessária uma correção da razão estequiométrica).

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2. Avaliação da pureza Conclusão

• Pureza conservadora: ≥ 99,81% (calculado utilizando os limites superiores das impurezas detectadas por GDMS)
• A pureza real pode ser superior: Se alguns elementos estiverem muito abaixo dos seus limites superiores (por exemplo, o Fe é apenas 0,1 ppm), a pureza pode atingir 99.9%.

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3. Principais limitações e considerações

(1) Limitações do método SGDM

• Dados semi-quantitativos: Por exemplo, Fe <0,5 ppm pode na realidade ser 0,1 ppm ou 0,01 ppm, o que pode afetar significativamente o cálculo da pureza.
• Elementos de luz em falta: O GDMS tem uma fraca capacidade de deteção de elementos leves como o C e o H, o que pode levar a uma subestimação do total de impurezas (por exemplo, o hidroxilo OH- não detectado).

(2) Comparação com as normas do sector

Grau do material	Requisito típico de pureza de SiO₂	Pureza estimada a partir de GDMS	Cumpre a norma
Quartzo de qualidade industrial	≥99.5%	99.81%	✅ Sim
Quartzo de qualidade fotovoltaica	≥99.9%	Perto, mas incerto	Necessidade de verificação ICP-MS
Quartzo para semicondutores	≥99.99%	Não alcançado	❌ Não

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4. Recomendações de aplicação para o material

• Utilização industrial/geral: A pureza de 99,8% é suficiente e pode ser utilizada diretamente.
• Utilização de fotovoltaicos/semicondutores:
  • Utilizar o ICP-MS para confirmar se as impurezas metálicas críticas (Fe, Na, etc.) são efetivamente inferiores a 0,1 ppm.
  • Complementar com um teste FTIR para determinar o teor de hidroxilo (OH- < 5 ppm).

Resumo:
Este material pertence ao quartzo de alta pureza de grau industrial, mas não cumpre os requisitos de grau de semicondutor (4N5 ou 5N).

Base de decisão:
Se o processo do cliente for sensível à contaminação por Fe/Na (por exemplo, células solares PERC), deve ser dada prioridade à verificação dos níveis reais de impureza.