中國粉體網(wǎng)訊  高純石英砂為白色粉末，無異色，雜質(zhì)含量很低。它具有高的耐溫性，極好的化學特性，優(yōu)良的電絕緣性和透光性等，是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)不可替代的礦物原料。通過提純石英砂獲得高純石英是緩解天然水晶資源不足，滿足光學、半導體及微電子行業(yè)對高質(zhì)量石英玻璃材料需求的有效途徑。

1.石英砂的雜質(zhì)及提純

石英砂的提純主要是除去其中少量或微量雜質(zhì)，獲得高純石英砂。石英砂中雜質(zhì)主要來自石英巖礦本身和加工過程，以包裹體、元素雜質(zhì)、雜質(zhì)礦相等形式存在。通常經(jīng)過常規(guī)物理、化學選礦手段，如擦洗、煅燒-水淬、磨礦、篩分、磁選、重選、浮選、酸浸、高溫脫氣等，石英原料中的絕大部分脈石礦物和氣液包裹體可以被解離或破壞去除。但是，晶格雜質(zhì)的去除難度極大，經(jīng)過酸浸作用后已經(jīng)達到該工藝的提純極致。若過度增大HF用量、升高溫度或延長時間都只能造成石英礦物的整體溶蝕，降低精礦產(chǎn)率，而且對晶格內(nèi)的雜質(zhì)元素并不能起到提純效果。因此，晶格中雜質(zhì)往往成為高純石英砂加工過程中難以突破的最終瓶頸。

晶格中常見存在雜質(zhì)的結(jié)構(gòu)

（1）Al3+、Fe3+、B3+替代Si4+

正三價M3+離子替代Si4+的晶體結(jié)構(gòu)

（2）Ti4+、Ge4+替代Si4+

正四價M4+離子替代Si4+的晶體結(jié)構(gòu)

（3）Al3+和P5+耦合替代Si4+

Al3+和P5+耦合替代Si4+的晶體結(jié)構(gòu)

（4）H+替代Si4+

4個H+替代Si4+的晶體結(jié)構(gòu)

對于高晶格雜質(zhì)含量型石英原料的提純，需要研發(fā)深度提純工藝。目前，去除晶格雜質(zhì)的方法主要有氯化焙燒工藝。

2.氯化焙燒工藝方法類型

氯化焙燒又稱氯化脫氣，是指在一定條件下，在氯化劑作用下使礦物原料中的某些成分轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)或凝聚態(tài)的氯化物，從而使組分分離或者富集的過程。

2.1按氯化劑種類劃分

根據(jù)氯化劑的種類可分為固態(tài)氯化焙燒和氣態(tài)氯化焙燒。固態(tài)氯化焙燒所使用的氯化劑一般為NaCl、CaCl2、NH4Cl。氣態(tài)氯化焙燒所使用的氯化劑一般為Cl2、HCl。

2.2按產(chǎn)物形態(tài)劃分

根據(jù)氯化焙燒產(chǎn)物的形態(tài)可將其分為三種類型：高溫氯化焙燒法、中溫氯化焙燒法、氯化-離析法。高溫焙燒是指生成的金屬氯化物為氣態(tài)并揮發(fā)，因此也稱之為氯化揮發(fā)法；中溫焙燒是指氯化焙燒生成的凝聚態(tài)金屬氯化物留在焙燒物中，然后用浸出的方式使其轉(zhuǎn)入溶液中以分離，因此也稱之為氯化焙燒-浸出法；氯化-離析是指在焙燒的過程中產(chǎn)生的氯化物分兩種狀態(tài)存在：氣態(tài)、固態(tài)（金屬氯化物被還原成金屬態(tài)），然后使用一些物理選礦的方法將其分離。

2.3按反應體系劃分

根據(jù)反應體系進行的難易成度可分為兩類：直接氯化焙燒、間接氯化焙燒。直接氯化焙燒主要應用于黃鐵礦燒渣等氯化過程較易的物料；間接氯化焙燒主要用于氯化過程較難的物料（如高鈦渣、菱鎂礦等）。

3.石英砂高溫氯化提純技術(shù)的研究進展

3.1石英砂高溫氯化提純原理

氯化焙燒利用了石英礦物的表面與內(nèi)部的化學位的梯度，促使著石英礦物的內(nèi)部的包裹體的擴散。石英顆粒表層的堿金屬、堿土金屬和殘余的包裹體等雜質(zhì)在高溫下與氯氣反應生成氣態(tài)氯化物，相較于其他金屬離子，Al和B的反應活性較低，高溫氣流將這些雜質(zhì)元素的氯化物帶走，從而達到深度提純的目的。

Fe(OH)3+3HCl=FeCl3+3H2O

Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O

Al2O3+6HCl=2AlCl3+3H2O

3.2石英砂高溫氯化提純裝置

工業(yè)常用的焙燒設(shè)備有多膛爐、回轉(zhuǎn)窯、沸騰爐等。而針對高純石英的反應爐處于不斷發(fā)展完善過程中。裝置多為自行設(shè)計，還沒有統(tǒng)一的標準設(shè)備。如湖北菲利華石英玻璃股份有限公司自主設(shè)計并制造了氯化焙燒裝置。

氯化焙燒裝置

（1）石英玻璃筒；（2）螺旋狀石英玻璃擋板；（3）電加熱線圈；（4）底座；（5）升降支架；（6）旋轉(zhuǎn)電機；（7）旋轉(zhuǎn)軸承；（8）保溫層

3.3石英砂高溫氯化提純的研究

氯化焙燒是一種深度提純工藝，雖然成本較高，具有一定危險性，但它是滿足高科技用高純石英砂的有效途徑。

連云港市弘揚石英制品有限公司采用SiO2含量在90%以上、羥基含量在0.035%以上的石英礦石為原料，經(jīng)人工水洗、脫泥、分揀，然后采用破碎—酸浸—細碎—電選—熱壓酸浸—浮選—高溫焙燒工藝，將羥基含量降低到0.0015%以下，制備出SiO2含量大于99.99%的高純石英砂。

新沂市中大石英科技有限公司采用煅燒—水淬—粉碎—分級—熱壓酸洗—堿洗—浮選—氯化處理—高溫焙燒—磁選聯(lián)合工藝能將純度99.95%的石英砂純度提高到99.99%以上，雜質(zhì)總量控制在0.0016%以內(nèi)。

安徽工業(yè)大學和安徽天賦生物科技有限公司聯(lián)合開發(fā)了一種碎磨—（加NaCl）高溫煅燒—淬火—浮選—酸浸—絡(luò)合處理—水洗聯(lián)合工藝，處理SiO2含量99%左右的優(yōu)質(zhì)脈石英，得到SiO2純度高于99.99%，雜質(zhì)總含量0.001%左右的高檔石英砂。

婁陳林，張國君（湖北菲利華石英玻璃股份有限公司）等采用高溫氯化工藝進行石英砂提純試驗，結(jié)果表明，干燥HCl、干燥Cl2或干燥Cl2/HCl混合氣體均對Na、Fe、K等金屬雜質(zhì)有明顯純化效果，其中干燥HCl氣體的提純效果最好。

不同氯化劑對石英砂提純效果的影響

Al、Fe、Na、K雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)下降百分比

小結(jié)

目前在半導體行業(yè)、光伏產(chǎn)業(yè)、光纖通信、光學玻璃工業(yè)中高純石英砂被廣泛應用，市場需求量越來越大，高純石英砂性能優(yōu)良，有廣闊的市場應用前景。而僅通過常規(guī)選礦方法不能去除包裹體及晶格中雜質(zhì)，不能得到高純石英砂。除了高溫氯化提純，輻照色選、超導磁選、高溫真空等深度提純工藝技術(shù)需要進行深入研究。

參考資料：

婁陳林,張國君等.石英砂高溫氯化提純研究

郭文達,韓躍新等.高純石英砂資源及加工技術(shù)分析

潘俊良.氯化焙燒法制備4N8標準級高純石英試驗研究

吳逍.高純石英原料選擇評價及提純工藝研究

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）

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