中國(guó)粉體網(wǎng)訊  隨著戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，高純石英成為電子信息產(chǎn)業(yè)、智能制造裝備產(chǎn)業(yè)、太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)、高效節(jié)能產(chǎn)業(yè)等諸多尖端領(lǐng)域的關(guān)鍵性基礎(chǔ)原料之一。

長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)高純石英高端產(chǎn)品被美國(guó)、德國(guó)等壟斷，致使高純石英制品產(chǎn)業(yè)鏈上下游多個(gè)環(huán)節(jié)存在國(guó)產(chǎn)化率較低的問(wèn)題，在高端高純石英領(lǐng)域，形勢(shì)則更為嚴(yán)峻。由于國(guó)外對(duì)高純石英生產(chǎn)技術(shù)的封鎖，加快推進(jìn)我國(guó)高純石英砂制備關(guān)鍵技術(shù)的自主化和國(guó)產(chǎn)化迫在眉睫。

高純石英雜質(zhì)特征

高純石英質(zhì)量與原料中雜質(zhì)元素的含量高低并不是簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而是與原料工藝礦物學(xué)特征所決定的雜質(zhì)可選性密切相關(guān)。不同類型石英礦的礦物學(xué)特征存在明顯差異，詳細(xì)分析石英原料礦物學(xué)特征，是確定石英原礦性質(zhì)、選礦提純工藝方案和產(chǎn)品方向的基礎(chǔ)。

石英中雜質(zhì)賦存狀態(tài)

來(lái)源：魏奎先等.高純石英制備技術(shù)研究進(jìn)展

石英中的雜質(zhì)礦物主要包裹在石英砂顆粒表面或填充在縫隙中，如云母、長(zhǎng)石等，這類礦物易去除，將其單體解離開(kāi)，通過(guò)選礦技術(shù)即可去除。硅質(zhì)原料在結(jié)晶時(shí)，由于成礦時(shí)的各種因素，導(dǎo)致結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生空穴，構(gòu)造發(fā)生缺陷，他類礦物的溶液注入其中，生長(zhǎng)過(guò)程中被石英包圍形成了包裹體，氣-液包裹體主要是由H₂O、CO₂、CH₄三種體系組成。

石英中晶體結(jié)構(gòu)雜質(zhì)分為晶格雜質(zhì)和非晶格雜質(zhì)。晶格雜質(zhì)主要以他類原子以類

質(zhì)同象的方式取代硅氧四面體中的硅原子，主要雜質(zhì)元素有Al³⁺、Ti⁴⁺、Ge⁴⁺等。其中，微量元素替代石英中的硅原子主要有三種方式：（1）等價(jià)替代，如Ti⁴⁺、Ge⁴⁺替代Si⁴⁺；（2）離子團(tuán)替代，如Al³⁺與P⁵⁺或Al³⁺與Na⁺替代Si⁴⁺；（3）電荷補(bǔ)償替代，如Al³⁺、Fe³⁺所形成的[AlO₄/M⁺]0或[FeO₄/M⁺]0結(jié)構(gòu)中心。由于Al³⁺和Si⁴⁺半徑相近，Al³⁺替代硅原子最為常見(jiàn)，Al³⁺替代Si⁴⁺后為了達(dá)到電荷平衡，首先由正一價(jià)堿金屬離子（如Li⁺、Na⁺、K⁺）以及H⁺來(lái)補(bǔ)償，如果堿金屬離子不足，有時(shí)用正二價(jià)的Ca²⁺、Mg²⁺離子及部分過(guò)渡金屬離子來(lái)補(bǔ)償，從而堿金屬離子（如Li⁺、Na⁺、K⁺）以及H⁺等可作為電荷補(bǔ)償離子進(jìn)入石英晶格而賦存于石英晶格間隙中，因此可以通過(guò)石英中Al的含量判斷石英原料的質(zhì)量。

高純石英的提純工藝

高純石英的提純工藝是首先將脈石英或石英巖破磨到所需要的粒度并脫除部分的雜質(zhì)，再通過(guò)物理和化學(xué)方式分離或者溶解雜質(zhì)。整個(gè)提純過(guò)程可以簡(jiǎn)單概括為預(yù)處理、物理處理和化學(xué)處理三個(gè)過(guò)程，具體為采用破碎、磨礦、篩分、磁選、酸洗、氯化焙燒等多種選礦方法。

粉碎-分級(jí)預(yù)處理

高純石英加工過(guò)程中粉碎-分級(jí)預(yù)處理，一是使石英與脈石礦物有效單體解離和流體包裹體釋放，二是為后續(xù)石英提純加工提供合適粒度范圍的原料。

石英粉碎過(guò)程既要考慮石英中脈石礦物有效單體解離，同時(shí)也要考慮降低對(duì)石英的二次污染。為了避免粉碎過(guò)程中鐵雜質(zhì)對(duì)石英二次污染，一般選用鋯球、瑪瑙等作為磨礦介質(zhì)。熱力粉碎作為石英粉碎中的常用工藝，不僅降低了石英礦塊的硬度和粉碎能耗，通過(guò)減少石英與研磨介質(zhì)的接觸時(shí)間也降低了石英被二次污染的可能；同時(shí)在石英表面產(chǎn)生了微裂隙，有利于石英化學(xué)提純。高壓脈沖粉碎利用高壓放電在石英塊內(nèi)產(chǎn)生的沖擊波，使石英更容易沿容納了雜質(zhì)的晶體邊界處破碎，有利于石英中的雜質(zhì)暴露。

分級(jí)是根據(jù)顆粒的比重、形狀或大小的不同進(jìn)行分選的過(guò)程。高純石英不僅對(duì)純度有苛刻的技術(shù)要求，同時(shí)對(duì)粒度分布也有嚴(yán)格的要求。分級(jí)還可以分離出部分細(xì)粒級(jí)礦泥雜質(zhì)，由于石英比含鐵礦物硬度高，在相同的粉碎條件下脈石礦物更容易被磨細(xì)，石英砂中SiO₂的品位隨著石英砂粒度的變細(xì)而降低。

石英中共伴生獨(dú)立礦物分選技術(shù)

來(lái)源：馬超等.高純石英原料礦物學(xué)特征與加工技術(shù)進(jìn)展

擦洗-分級(jí)脫泥

擦洗是借助機(jī)械外力和砂粒之間的摩剝力來(lái)去除石英砂表面的薄膜鐵、粘結(jié)及泥性雜質(zhì)礦物，再經(jīng)過(guò)脫泥工藝能達(dá)到石英砂除雜效果，石英中SiO₂的含量隨著粒度的變細(xì)而降低，而鐵、鋁雜質(zhì)礦物的含量與之相反，同時(shí)石英砂中含有較多的黏土礦物，因此通過(guò)擦洗-分級(jí)脫泥可以有效地降低鐵、鋁、鈣等雜質(zhì)。

影響擦洗效果的主要因素有擦洗機(jī)的結(jié)構(gòu)、擦洗時(shí)間、擦洗樣品的濃度、擦洗的次數(shù)等工藝因素，擦洗將石英顆粒與雜質(zhì)礦物得到有效分離，但對(duì)于一些雜質(zhì)含量較多的石英礦還需要更多的工序進(jìn)行。

重選-磁選-浮選

不同礦物的密度各不相同，利用重力對(duì)礦物顆粒的影響，使不同礦物分離的選礦方法即為重選。

磁選是根據(jù)礦石中礦物磁性差異，在不均勻磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)礦物分離的選礦方法。弱磁場(chǎng)可以除去雜質(zhì)較強(qiáng)的磁性礦物，如磁鐵礦；強(qiáng)磁場(chǎng)用來(lái)分離磁性較弱的雜質(zhì)礦物，如赤鐵礦、鈦鐵礦、石榴子石等。

浮選是根據(jù)礦物表面物理、化學(xué)性質(zhì)的差異從水的懸浮體（礦漿）中浮出固體礦物的選礦過(guò)程。石英礦物中常見(jiàn)的脈石礦物云母、高嶺土和長(zhǎng)石等具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)，相對(duì)于其他的選礦方法，浮選可達(dá)到滿意的分選效果，浮選是從長(zhǎng)石、云母等化學(xué)性質(zhì)相似的礦物中分離石英的主要方法。

酸處理法

在經(jīng)歷初步物理提純后，大部分雜質(zhì)礦物已被去除，但還有少量雜質(zhì)礦物處在晶界、微裂隙及晶體內(nèi)，酸（堿、鹽）處理法主要是為了去除這部分雜質(zhì)。其中酸浸法應(yīng)用最為廣泛。礦物包裹體混合酸溶解利用石英只能溶解在氫氟酸中，而其他礦物包裹體雜質(zhì)能被酸溶解的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)石英與雜質(zhì)的分離，常用的酸有硫酸、鹽酸、硝酸、氫氟酸等。硫酸對(duì)硫化礦、黃鐵礦等溶解效果好，鹽酸對(duì)方解石、白云石、方鉛礦等溶解效果好，硝酸對(duì)黃鐵礦、白鐵礦、砷黃鐵礦等溶解效果好，氫氟酸對(duì)硅酸鹽礦物有較好溶解性。天然石英礦物中雜質(zhì)種類多且存在形式復(fù)雜，使用混合酸溶解石英中礦物包裹體雜質(zhì)對(duì)石英提純效果最佳。

高溫爆裂法

直接高溫爆裂法是利用高溫焙燒、微波加熱等使石英晶體表面創(chuàng)造晶體缺陷和高能區(qū)，并使氣液包裹體氣化膨脹再利用水淬使膨脹的氣液包裹體瞬時(shí)爆裂。石英晶體中的礦物包裹體與石英晶體界面間，由于界面硅氧鍵Si-O和金屬氧鍵Me-O的熱學(xué)性質(zhì)差異，加溫時(shí)會(huì)在界面產(chǎn)生應(yīng)力集中，金屬氧鍵M-O易于斷裂以及表面水蒸發(fā)，在界面形成收縮性裂隙，石英晶體表面的裂隙即晶體缺陷是能量過(guò)剩區(qū)域，具有化學(xué)活性高的特征，為提高化學(xué)浸出效率創(chuàng)造了先機(jī)。同時(shí)，經(jīng)高溫焙燒過(guò)程，能除掉某些揮發(fā)性雜質(zhì)以及精礦中殘留的浮選劑。

氯化焙燒法

氯化焙燒是去除石英晶格雜質(zhì)、堿金屬等間隙原子類雜質(zhì)最主要的方法，氯化焙燒是在一定溫度和氛圍條件下，將雜質(zhì)組分離子轉(zhuǎn)化為低沸點(diǎn)的氯化物，進(jìn)而將雜質(zhì)組分分離的過(guò)程。常用的氯化劑有氯氣、氯化氫、氯化銨、氯化鈉和氯化鈣等，氯化焙燒按產(chǎn)物形態(tài)可分為高溫焙燒（氯化揮發(fā)法）、中溫焙燒（氯化焙燒—浸出法）、氯化—離析。不同的氯化劑和焙燒溫度與晶格雜質(zhì)作用的方式和效果存在較大差異。

結(jié)語(yǔ)

高純石英作為高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵性原材料，我國(guó)在加強(qiáng)石英礦產(chǎn)資源勘察的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)提純基礎(chǔ)理論方面的研究，揭示高純石英中雜質(zhì)元素在不同工藝流程中的去除機(jī)制，攻克技術(shù)壁壘，提高石英提純技術(shù)，增加高純石英的產(chǎn)量，滿足我國(guó)新能源、新材料和高精尖領(lǐng)域的需求。

參考來(lái)源：

張海啟.高純石英中雜質(zhì)特征及深度化學(xué)提純技術(shù)研究進(jìn)展

馬超等.高純石英原料礦物學(xué)特征與加工技術(shù)進(jìn)展

魏奎先等.高純石英制備技術(shù)研究進(jìn)展

侯清麟等.高純石英砂制備技術(shù)研究現(xiàn)狀

歐陽(yáng)靜等.石英礦物資源的提純及在戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)分析

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/初末）

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