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晶格雜質(zhì)：制約高純石英質(zhì)量的關(guān)鍵性因素

石英晶體在形成過程中，一些元素會替代硅元素進入石英晶體中，形成了石英的結(jié)構(gòu)性雜質(zhì)。這些雜質(zhì)含量雖然很低，但從石英中分離難度大，是制約高純石英質(zhì)量關(guān)鍵性因素。

在提純的整個工藝流程中，經(jīng)過焙燒水淬、磁選、酸浸工序，石英中雜質(zhì)元素Fe、Cr、Ni、Na、K、Ca、Mg、Cu等可以大幅度降低。但Al在經(jīng)歷一系列提純工序之后，去除效果有限，這主要是因為Al3+進入晶格替代Si4+、而且離子半徑也比較接近，不易提純。

類似的還有Ti⁴⁺、B³⁺、P³⁺等雜質(zhì)元素。可見，天然石英內(nèi)部的雜質(zhì)，特別是以類質(zhì)同像狀態(tài)存在的雜質(zhì)，直接制約著高純石英產(chǎn)品生產(chǎn)，當原礦Al、Ti、Li、B、P等雜質(zhì)元素含量較高，就不易獲得高純石英。

典型的例子有，Norway地區(qū)石英巖，雖與藍晶石等多種礦物共伴生，但其晶格雜質(zhì)少且?guī)缀醪缓�流體包裹體，被認為有可能加工為高純石英；而Sierrade Comechigones(Argentina)地區(qū)偉晶巖雖然SiO₂含量很高，但由于細粒石英中晶格雜質(zhì)較高，很難被加工為高純石英。

綜上所述，晶格雜質(zhì)，是制約高純石英質(zhì)量的關(guān)鍵性因素。

偏析剝蝕法：去除石英晶格雜質(zhì)的新方法

石英中晶格雜質(zhì)元素被包裹在晶體體相內(nèi)，散布在石英晶體內(nèi)部，難以在不破壞石英結(jié)構(gòu)的情況下直接富集和分離，而且晶格雜質(zhì)元素在石英體相中分布通常較為均勻，即使氫氟酸等可破壞石英晶格的浸出劑也無法有效去除，目前僅有氯化焙燒可以降低石英內(nèi)Na、K等堿金屬含量，但對于其它雜質(zhì)元素，特別是Al元素則幾乎沒有效果。為了分離晶格雜質(zhì)元素，首先要改變晶格雜質(zhì)元素的分布，使其富集后，才能有效分離去除。

擴散是物質(zhì)從體系的某個位置自發(fā)移動到另一位置的過程，是原子、離子等粒子無規(guī)則熱運動的結(jié)果。擴散現(xiàn)象普遍存在于氣體、液體和固體中，且是固體中粒子遷移主要途徑。若在特定條件下使晶格雜質(zhì)元素發(fā)生擴散，則可改變晶格雜質(zhì)元素在石英晶格中的分布。

偏析也稱偏聚，是構(gòu)成體系的某些組分偏離熱力學平衡組成，在表面、晶界或晶格缺陷處吸附聚集，而使該組分不均勻分布的現(xiàn)象，與化學吸附有一定相似性。
若在擴散的基礎(chǔ)上促使晶格雜質(zhì)元素發(fā)生偏析，則有可能實現(xiàn)雜質(zhì)元素的富集，最后根據(jù)雜質(zhì)元素偏析情況，采取相應(yīng)的分離去除方法，就可能達到降低石英中晶格雜質(zhì)元素濃度的目的。

武漢理工大學的裴振宇博士，在上述設(shè)想的基礎(chǔ)上，根據(jù)理論計算和試驗分析得出了擴散偏析規(guī)律，創(chuàng)建了利用偏析剝蝕純化晶格雜質(zhì)元素制備高純石英新工藝。

該工藝使用鹽酸浸出來清除石英表面界面雜質(zhì)；使用氫氧化鈉侵蝕和活化石英表面，增加焙燒中空位生成量；然后通過焙燒促使晶格雜質(zhì)元素由內(nèi)部向表面擴散并在表層偏析富集；再用氫氧化鈉剝蝕石英表層，溶解去除富集在石英表層的雜質(zhì)元素，達到純化晶格雜質(zhì)元素的目的。

裴博士認為，偏析剝蝕法純化新工藝可以高效去除石英晶格取代雜質(zhì)元素Al，對晶格填隙雜質(zhì)元素Na、K也有明顯分離效果。經(jīng)該工藝處理后石英中Al元素含量由62.79μg/g降低到7.8μg/g，雜質(zhì)元素總含量由241.77μg/g降低到38.2μg/g，硅、氧總含量達到99.994%，達到了高純石英標準。該研究也為豐富天然石英晶格雜質(zhì)分離純化理論與技術(shù)創(chuàng)新提供了新方法與借鑒。

參考來源：

【1】裴振宇：偏析剝蝕法純化石英晶格雜質(zhì)及機理研究，武漢理工大學博士學位論文

【2】中國粉體網(wǎng)：高純石英砂提純，最難除掉的竟然是它！

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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