中國(guó)粉體網(wǎng)訊 隨著碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略的貫徹實(shí)施，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展步入快車道。無(wú)論是光伏行業(yè)坩堝用高純石英砂，還是光伏超白玻璃用低鐵石英砂，其市場(chǎng)需求都迎來(lái)了超常規(guī)的增長(zhǎng)。整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)高品質(zhì)石英礦源，石英原料深加工技術(shù)的需求也顯得更為迫切。2023年4月21日，第一屆光伏行業(yè)用石英砂技術(shù)與市場(chǎng)交流大會(huì)在安徽鳳陽(yáng)隆重召開(kāi)，會(huì)議期間，我們邀請(qǐng)到了業(yè)內(nèi)專家、學(xué)者，優(yōu)秀企業(yè)家代表做客對(duì)話欄目，進(jìn)行訪談交流。本期為您分享的是中國(guó)粉體網(wǎng)對(duì)湖南工業(yè)大學(xué)侯清麟教授的專訪。
1.高純石英砂是一種無(wú)可替代的礦物資源
光伏太陽(yáng)能是一種取之不竭用之不盡的新綠色能源，對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展作用彰顯著巨大前景，對(duì)世界經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)不可或缺，是投資省、見(jiàn)效快、對(duì)環(huán)境影響最小的能源來(lái)源。
高純石英砂是光伏、半導(dǎo)體行業(yè)關(guān)鍵性原輔材料：高純石英砂是指因工業(yè)水晶資源枯竭后，由天然石英硅礦經(jīng)過(guò)一系列物理和化學(xué)提純技術(shù)生產(chǎn)的具有某種粒度規(guī)格的高純非金屬、堅(jiān)硬、耐磨、物理化學(xué)性能穩(wěn)定材料。用高純石英砂生產(chǎn)的高檔石英制品具有耐高溫、耐腐蝕、低熱膨脹性、高度絕緣性和透光性等優(yōu)異的物理化學(xué)屬性，被廣泛用于光伏、電子、高端電光源、國(guó)防科技等領(lǐng)域，是科技高端制造行業(yè)不可替代的原輔材料。
2022-2025光伏行業(yè)高純石英砂需求量平均復(fù)合增速加快。據(jù)侯清麟教授（以下簡(jiǎn)稱“侯教授”）查閱資料綜合預(yù)測(cè)，2022-2025年全球光伏行業(yè)高純石英砂需求量分別為6.23萬(wàn)噸、7.56萬(wàn)噸、9.18萬(wàn)噸、12.32萬(wàn)噸，年均復(fù)合增速為25.52%。
2.光伏用高純石英砂國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)
2016年11月開(kāi)始實(shí)施的《光伏用高純石英砂》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)號(hào)：GB/T32649-2016），對(duì)于石英砂的技術(shù)要求如下：外觀光伏用高純石英砂應(yīng)為具有一定透明度的白色顆粒，無(wú)異色。光伏用高純石英砂的粒徑應(yīng)在70μm~350μm范圍內(nèi)，且在該粒徑范圍的累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)大于或等于90%。粒徑小于100μm或大于300μm的累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)均應(yīng)小于1%。二氧化硅含量光伏用高純石英砂中二氧化硅含量應(yīng)大于或等于99.99%，灼燒失量應(yīng)小于或等于0.01%。雜質(zhì)元素含量光伏用高純石英砂金屬元素雜質(zhì)總含量應(yīng)小于或等于25μg/g，其中鉀、鋰、鈉含量總和小于2.5μg/g。
3.目前國(guó)內(nèi)制備高純石英砂主要存在的不足
提及到目前國(guó)內(nèi)制備高純石英砂存在的問(wèn)題，侯教授表示，目前用于光伏產(chǎn)業(yè)的石英坩堝所需的高純石英砂基本依賴進(jìn)口，至少內(nèi)層砂必需是。美國(guó)矽比科獨(dú)占鰲頭，幾乎無(wú)可替代，其他國(guó)家不能望其項(xiàng)背。從而價(jià)格昂貴，對(duì)我國(guó)進(jìn)口量限制。特別是中美貿(mào)易摩擦后更是價(jià)格飆升!使光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到制約。
國(guó)內(nèi)石英砂制備行業(yè)雖然用進(jìn)口石英硅礦生產(chǎn)打錠和拉管用高純石英砂及光伏產(chǎn)業(yè)用石英坩堝外層用砂等取得長(zhǎng)足進(jìn)展，形勢(shì)喜人，但由于進(jìn)口硅礦質(zhì)量不一，尤其是氣液包裹體含量偏高，比如安哥拉石英硅礦……精制難度大。盡管如此，對(duì)光伏用石英坩堝內(nèi)層砂的研制仍然存在某些暫不可逾越的鴻溝。
國(guó)內(nèi)高純石英砂精制工藝基本大多停留在傳統(tǒng)模式，精制介質(zhì)也存在許多問(wèn)題，加之創(chuàng)新研究引導(dǎo)力度不夠，投入不多，尤其是創(chuàng)新工藝應(yīng)用研究上遇到許多坎。雖有石英股份、菲利華石英等在努力研究，進(jìn)展迅速，但要完全制備出石英坩堝內(nèi)層高純石英砂在創(chuàng)新工藝應(yīng)用上還有很長(zhǎng)的路要走。
綜合來(lái)看，侯教授認(rèn)為尚有如下三大主要問(wèn)題:
（1）工藝流程長(zhǎng)
（2）使用大量非環(huán)境友好酸
從水晶制備水晶砂，到如今石英硅礦制備高純石英砂，其精制工藝一直采用無(wú)機(jī)強(qiáng)酸HF、HNO3、H2SO4、HCl等剔除Al、Fe、Ca、Ti等主要金屬及氣液包裹體雜質(zhì)。由于HF、HNO3尤其是HF酸對(duì)生態(tài)環(huán)境和人身傷害大，其殘液很難根治，環(huán)境污染嚴(yán)重。同時(shí)傳統(tǒng)工藝對(duì)氣液包裹體的剔除水平有限，能耗和成本高等，因此如何研究石英硅礦精制特別是破解環(huán)境污染等難題，需要做大量深入研究和卓有成效的工作。
（3）氣液包裹體雜質(zhì)含量仍然偏高
據(jù)深度研究發(fā)現(xiàn)：國(guó)內(nèi)用進(jìn)口石英硅礦精制的高純石英砂氣液包裹體雜質(zhì)含量在200~350ppm，即使是進(jìn)口高純石英砂的氣液包裹體雜質(zhì)含量也在100ppm左右。
值得關(guān)注的是，侯教授通過(guò)查閱資料和向有關(guān)專家請(qǐng)教，總結(jié)了目前氣液包裹體去除的主要方法：
酸堿差異腐蝕法(行業(yè)通用）
熱或冷爆裂法(行業(yè)通用)
氯化脫氣法（日本）
微波輻射法（在研階段）
侯教授團(tuán)隊(duì)在微波輻射法方面做了多年研究，且取得很好的效果。
4.高純石英砂精制工藝如何創(chuàng)新？
在問(wèn)及對(duì)于國(guó)內(nèi)高純石英砂行業(yè)發(fā)展的一些建議時(shí)，侯教授表示可以從工藝技術(shù)理念、工藝流程、剔雜介質(zhì)三個(gè)方面加強(qiáng)創(chuàng)新研究。
（1）工藝創(chuàng)新思想研究
針對(duì)傳統(tǒng)高純石英砂精制工藝中的流程長(zhǎng)和除雜介質(zhì)殘液污染環(huán)境等問(wèn)題，侯教授認(rèn)為在符合產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)要求前題下，可以從縮短簡(jiǎn)化工藝流程、減少設(shè)備臺(tái)套數(shù)、工藝剔雜介質(zhì)創(chuàng)新等方面作出改變，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，降低消耗，改善生產(chǎn)條件，保護(hù)人文生態(tài)環(huán)境的目的。
（2）工藝流程創(chuàng)新研究
目前石英砂除雜的方法主要分為物理方法、化學(xué)方法。物理方法有磁選、反向浮選及煅燒水淬處理�；瘜W(xué)方法包括無(wú)機(jī)酸浸及有機(jī)酸浸。常用的無(wú)機(jī)酸通常是HF、HNO3、HCl和H2SO4。目前通常通過(guò)物理方法與化學(xué)方法相結(jié)合能實(shí)現(xiàn)更好的除雜效果。
新精制工藝
（3）剔雜介質(zhì)
除了除雜方法創(chuàng)新、流程縮短，工藝流程創(chuàng)新的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是剔雜介質(zhì)的創(chuàng)新。侯教授依靠國(guó)家自科基金委和湖南工業(yè)大學(xué)的大力支持，在國(guó)產(chǎn)石英硅礦無(wú)氟無(wú)硝制備高純石英砂工藝方面做了大量研究。以安哥拉礦石為參照，優(yōu)選出與之相似組分的國(guó)產(chǎn)硅礦石，通過(guò)高溫水淬、研磨、在對(duì)H2O、CH4、C2H6與Na+、K+、Cu2+水合物進(jìn)行原位比較監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，采用高頻電磁波作用后，改草酸、乙酸、H2SO4浸泡精制剔除Al、Fe、Ti等金屬雜質(zhì)后過(guò)篩、干燥后制備超純石英砂。
5.高純石英砂 “卡”了誰(shuí)的脖子？
侯教授表示，高純石英砂之所以引起業(yè)內(nèi)高度重視，主要體現(xiàn)在其“卡脖子 ”問(wèn)題上。眾所周知，高純石英砂是石英坩堝的上游關(guān)鍵原材料，而石英坩堝是晶體硅生產(chǎn)過(guò)程中的消耗品，目前廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能和半導(dǎo)體領(lǐng)域。目前一些二線的硅片企業(yè)，開(kāi)始反映出缺少石英坩堝，可能面臨停產(chǎn)的問(wèn)題。
石英坩堝分為內(nèi)層透明層、中層氣泡復(fù)合層和外層薄氣泡層，各層質(zhì)量占比分別為25%-70%、20%-40%和5%-30%，通常比例為4:3:4或者3:4:3。其中內(nèi)層砂必需的4N8高純石英高端產(chǎn)品仍需要高價(jià)從美國(guó)、挪威等進(jìn)口，而質(zhì)量要求略低的石英坩堝中外層砂，其礦石原料也需要從印度、坦桑尼亞等國(guó)進(jìn)口解決。
真正制約產(chǎn)業(yè)鏈的并不是石英坩堝，而是高純度的石英砂。目前的國(guó)際形勢(shì)決定了高純石英砂以稀為貴，從長(zhǎng)期市場(chǎng)考慮，人工合成石英砂是替代天然石英砂的必然趨勢(shì)。誰(shuí)能解決高純石英砂生產(chǎn)工藝問(wèn)題，誰(shuí)就相當(dāng)于有了穩(wěn)定的資源。
6.專家介紹
侯清麟教授是湖南安仁人，1955年2月生，博士，二級(jí)教授，中國(guó)注冊(cè)化工師，教授級(jí)高工。本科華南工學(xué)院（77級(jí)）；中南大學(xué)碩士、博士；美國(guó)巴爾的摩大學(xué)MBA、MPA結(jié)業(yè)。現(xiàn)任湘潭大學(xué)博士、湖南工業(yè)大學(xué)博士和碩士研究生導(dǎo)師，湖南工業(yè)大學(xué)特聘教授，享受國(guó)務(wù)院特殊津貼專家。曾任衡山縣副縣長(zhǎng)，湖南株洲化工廠處長(zhǎng)、主任、石英玻璃廠(株洲327廠）廠長(zhǎng)、湖南株洲化工集團(tuán)研究院院長(zhǎng)、集團(tuán)董事長(zhǎng)兼總經(jīng)理，湖南工業(yè)大學(xué)黨委書記。曾獲兩屆湖南省優(yōu)秀企業(yè)家稱號(hào)，兩項(xiàng)全國(guó)管理成果二等獎(jiǎng)。
年近古稀的侯清麟教授，始終不忘鉆研專業(yè)科學(xué)技術(shù)，親自帶頭搞科研開(kāi)發(fā)，他團(tuán)隊(duì)的技改和科研項(xiàng)目獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益，成果頗豐。
侯清麟教授從事普通石英替代水晶制備石英玻璃高端材料精制分離精制加工研究數(shù)十年，近十年來(lái)?yè)碛袊?guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目4項(xiàng)，省部級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目5項(xiàng)，累計(jì)科研經(jīng)費(fèi)600余萬(wàn)元，在美國(guó)英國(guó)等Top刊物及中南大學(xué)學(xué)報(bào)、功能材料、硅酸鹽等雜志發(fā)表Sci、Ei等論文30余篇，擁有國(guó)家發(fā)明專利13項(xiàng)。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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