高纯石英生产还得靠这四项技术(石英定制)

发布时间:2021/11/2
高纯石英是指SiO2纯度高、杂质含量低的石英及其产品，是半导体、光伏、光纤、精密光学、照明设备、新玻璃等行业不可缺少的重要功能材料。严格来说，高纯石英玻璃不是矿产，而是水晶、脉石英、石英岩、花岗伟晶岩等矿石作为原料经过净化的产品。因此，更适合将能够净化和生产高纯石英的矿床称为高纯石英原料矿。

高纯石英不仅具有一般的商品经济价值，而且具有保证芯片安全、光纤安全、光伏安全、高端设备安全的战略意义。一些大国和强国坚持高纯石英独立的资源战略值得借鉴。资源短缺强国应反思吸收和储存高纯石英矿产品的国家政策，国家应建立高纯石英资源战略意识。

将石英矿加工成高纯石英是尽可能分离石英原料中各种杂质的过程。首先，将石英矿物与脉石矿物分离，获得相应粒度的石英颗粒，然后根据石英中杂质元素的存活状态选择有针对性的加工技术，使独立的矿物杂质。包裹体杂质和晶格杂质与石英有效分离。

1.粉碎-分级预处理技术

高纯石英加工过程中的破碎分级预处理，一是有效解离石英和脉冲矿物，释放流体包裹体，二是为后续石英净化加工提供适当粒度范围的原材料。

(1)粉碎

石英粉碎过程不仅要考虑石英中脉石矿物的有效单体解离，还要考虑减少对石英的二次污染。为避免粉碎过程中铁杂质对石英的二次污染，一般采用锆球、玛瑙等作为研磨介质。

热粉碎作为石英粉碎的常用工艺，不仅降低了石英矿的硬度和粉碎能耗，而且通过减少石英与研磨介质的接触时间，降低了石英二次污染的可能性;同时，石英表面有微裂缝，有利于石英化学净化。

高压脉冲破碎利用石英块中高压放电产生的冲击波，使石英更容易沿着容纳杂质的晶体边界破碎，有利于石英中杂质的暴露。

(2)分级

分类是根据颗粒的比例、形状或大小进行分类的过程。高纯石英不仅对纯度有严格的技术要求，而且对粒度分布也有严格的要求。

分级还可以分离一些细粒矿泥杂质。由于石英比含铁矿物硬度高，脉石矿物在相同的破碎条件下更容易磨损，石英砂中SiO2的等级随着石英砂粒度的变细而降低。

2.石英独立矿物分选技术

石英可以与多种矿物共存，如色选、擦洗、重选、磁选和浮选。

磁选和浮选是分选石英中矿物杂质最常用的方法。多段强磁选择不仅可以从石英中分离出单体解离的强磁性和弱磁性矿物杂质，还可以分离石英中的磁性矿物包裹体和连生体。云母、长石等硅酸盐矿物是石英中铝杂质的主要来源之一，由于其与石英物理、化学性质相似，常采用浮选法进行分离。为了有效降低石英中铝杂质的含量，需要多次选择。

矿物杂质在天然石英中的种类、含量和存储状态非常复杂，需要根据石英原料的性质选择有针对性的选矿联合工艺，以提高石英和独立矿物杂质的分离效果。

经过预处理和物理分选，石英中的大部分独立矿物杂质已经分离，SiO2含量一般可以达到99.9%左右，但不符合高纯石英的技术要求。这主要是因为预处理和物理分离只对石英和独立矿物杂质的分离有显著影响，对减少石英中包裹体杂质和晶格杂质几乎没有影响。

3.包裹体杂质与石英分离技术

几乎所有天然石英矿物都含有矿物包裹体和流体包裹体量包裹体的存在不仅增加了高纯石英的加工难度，而且限制了高纯石英的质量。

矿物包裹体混合酸溶解。

矿物包裹体中的混合酸只能用石英溶解在氢氟酸中，而其他矿物包裹体中的杂质可以用酸溶解，从而实现石英与杂质的分离。常用的酸有硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸等。

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(2)流体包裹体高温爆裂。

在高温焙烧过程中，随着温度的升高，当流体包裹体的内部压力大于石英对包裹体的束缚压力时，流体包裹体突然爆裂，释放出内部杂质，然后用后续的酸清洗溶解流体包裹体的内部杂质。

(3)氯化脱气。

氯化脱气是将石英加热到1000~1500℃并加入Cl2.HCl或混合气体的高温处理方法。它不仅能使金属杂质在高温下产生气态氯化盐挥发，而且对石英中的流体包裹体有一定的去除效果。

4.晶格杂质去除技术

完全纯净的石英晶体只含有Si-O键，但由于类质同象替代的存在，天然石英引入了大量的金属-氧(Me-O)键，是天然石英矿物中杂质的主要来源之一。

在酸浸提纯石英的过程中，TerryB认为石英晶格中Me-O键的能量和性质决定了金属杂质元素的分离难度:

Me(Li+.Na+.K+)-O键最小，最容易损坏，但由于碱金属离子在石英中平衡电荷，不能有效去除;

Me(Fe3+.Cu2+.Ca2+.Mn2+等)-O键能次之，是石英中容易去除的晶格杂质元素;

Me(Al3+.Ti4+)-O键更大，Al.Ti取代石英晶格中的Si形成新的AlO4.TiO4，是石英中最难去除的晶格杂质元素。

自然界中有许多不同晶型的石英。在晶型转换过程中，石英晶体结构也会发生变化，晶格中存在的杂质可能会迁移并扩散到石英颗粒表面，增加了去除的可能性。在1500℃的高温下，石英转化为方形石英相，键断裂重组，石英晶格膨胀，有利于金属杂质元素向石英表面迁移扩散。与真空气氛焙烧相比，石英向方石英在氮气气氛焙烧过程中的转化率更高，石英晶格杂质元素的迁移和扩散效率可能更高。

氯化焙烧是指在低于石英熔点温度的情况下，石英中的杂质成分和氯化剂转化为氯化物并挥发。石英在高温氯化焙烧过程中存在晶型变化，使石英晶格中的金属离子迁移并扩散到石英表面，与HCL、NH4Cl和CL2发生化学反应，变成挥发性成分，实现与石英的分离，防止杂质元素在冷却过程中迁移并扩散到石英晶格中。

总的来说，利用天然石英矿物加工高纯石英技术已经逐渐成熟。预处理主要是充分解离和暴露天然石英中的杂质，物理选矿分离石英与独立矿物杂质的效果显著。包裹体杂质和晶格杂质决定了石英矿纯化加工的极限。虽然长期以来对这两种杂质的去除技术进行了研究，但效果不佳是未来高纯石英加工研究的重点。

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