石英高純度密碼：雜質(zhì)去除全攻略！

石英作為二氧化硅的主要來源，用途非常廣泛，常用于玻璃、陶瓷及耐火材料、冶金、化工等工業(yè)。隨著用途越來越廣，相應的石英產(chǎn)品對化學純度的要求也越來越高。目前，石英常用的提純技術(shù)有預處理技術(shù)、物理分離技術(shù)和深度提純技術(shù)等。

來源：TQC

01 預處理

高純石英是從天然礦石中加工提純而來的，故首先要對原料礦石進行破碎-分級預處理，其目的是實現(xiàn)石英與伴生礦物初步分離及為后續(xù)加工提純提供合適粒度范圍的原料。

預處理中常用的粉碎方法主要包括熱力粉碎和機械粉碎，這個過程需要注意的是有效單體的解離和雜質(zhì)對石英的二次污染。由于石英硬度較高，通常采用顎式破碎機、圓錐破碎機進行粗碎，再通過高壓輥磨機或球磨機進行細碎。

熱力粉碎對石英礦進行破碎雖然耗能較大、成本較高，但相對于傳統(tǒng)機械的粉碎方法能更好的降低雜質(zhì)對石英的二次污染。且石英礦經(jīng)熱力粉碎的石英機械強度更低，質(zhì)地相比于未經(jīng)過熱力粉碎的石英砂更松軟，更能提高磨礦的效率。

02 物理分選技術(shù)

物理提純技術(shù)主要包括擦洗、重選、磁選、浮選、煅燒水淬、色選等。物理提純是基礎(chǔ)提純，只有石英與共伴生礦物、表面吸附物完全解離分離，才能保障化學提純效果。

擦洗法

擦洗法不僅可以促進石英與脈石礦物的單體解離，而且可以去除石英表面的泥質(zhì)和黏土礦物表面的微粒赤鐵礦和鈦鐵礦，為增強除鐵效果常加入擦洗劑。擦洗劑通常使用低濃度的酸來去除石英表面的薄膜鐵。

擦洗法流程

色選/光電分選法

色選法是基于礦物之間的光學特性差異，利用紅外線、紫外線等光源將石英中的異色顆粒分揀出來的方法。其具有經(jīng)濟成本低和環(huán)保性高等優(yōu)點，但色選法對試驗環(huán)境要求(光線強度、溫度、濕度等)較為嚴格，由于環(huán)境導致的色差問題，會嚴重影響分選效果。

光電分選機工作原理

重選法

重選是根據(jù)石英礦物與伴生雜質(zhì)礦物之間密度的不同來去除雜質(zhì)礦物，其主要適用于與石英有顯著密度差異的雜質(zhì)礦物的分離，如云母、金紅石等。高純石英加工過程中常用的重選設(shè)備包括搖床、螺旋溜槽、離心選礦機、脫泥斗等，重選能夠在高純石英加工提純過程中對關(guān)鍵雜質(zhì)元素的去除起到重要作用。

磁選法

磁選是根據(jù)不同礦物磁導率的差異，通過磁性介質(zhì)的充磁與失磁將磁性礦物分離的方法，常見的磁選設(shè)備包括滾筒磁選機、板式磁選機、高梯度磁選機、電磁漿料機、干式磁選機、超導磁選機等。石英作為非磁性礦物，可通過磁選將磁鐵礦、赤鐵礦、鈦鐵礦等磁性共生礦物去除。

浮選法

浮選也是礦物分離常用到的一種提純工藝，對于賦存在礦物顆粒中的雜質(zhì)有很好的除雜效果，常被用于分離石英、云母和長石。根據(jù)浮選時所使用的溶劑不同，分為無氟浮選和有氟浮選。

氫氟酸法分離長石與石英是一種廣泛應用且技術(shù)成熟的方法。氫氟酸既能夠調(diào)整pH值，同時也是長石浮選過程中的活化劑，再配以胺類（陽離子）捕收劑或其他藥劑，可以改變長石的表面性能，使其上浮，達到長石石英分離的目的；無氟有酸法是以強酸代替HF，調(diào)控礦漿pH值為2~3，用單一胺類捕收劑或陰陽離子組合捕收劑優(yōu)先浮出長石，從而實現(xiàn)長石與石英浮選分離的方法；無氟無酸法，即不添加氟化物和酸，在中性或堿性的礦漿體系下使長石和石英進行浮選分離。

煅燒-水淬法

煅燒-水淬法工藝流程

煅燒-水淬法是通過溫度驟變致使石英與包裹體之間產(chǎn)生界面裂隙的主要方法。通過此方法會導致石英內(nèi)應力迅速增加，使表面邊緣粗糙化，從而產(chǎn)生大量的孔隙結(jié)構(gòu)。煅燒-水淬法可使石英比表面積和孔隙率增大，從而增加后續(xù)酸浸工藝中酸液與雜質(zhì)的接觸概率，使酸浸效率大大提升。

03 化學提純法

石英礦石經(jīng)過選礦等物理方法初步提純后，要想獲得更高純度的石英，則需要進行化學提純。化學提純技術(shù)包括酸浸出法、堿浸出法以及熱處理法等。

酸浸出法

大多數(shù)雜質(zhì)在經(jīng)歷過磁選、浮選等物理提純工序后均能夠被去除，但石英晶體、晶格內(nèi)部的雜質(zhì)卻難以被去除。因此，為能有效的將石英晶體內(nèi)部的雜質(zhì)和包裹體去除，酸浸便是深度提純最好的手段。酸浸是利用強酸將金屬雜質(zhì)溶解，并將溶解后的金屬離子和酸液排出，從而達到提純的目的。現(xiàn)階段，通常采用鹽酸、硫酸、硝酸和氫氟酸以不同配比形成的混合酸對石英顆粒進行酸浸處理。

有氟浸出：氫氟酸酸洗可以除去石英表面大部分的雜質(zhì)，對石英、云母和長石都有較好的溶解作用，二聚物（HF）2和HF2-是氫氟酸溶液中主要活性成分之一，會對Si原子產(chǎn)生親核性侵蝕,使Si-O鍵斷裂，溶解包裹體周圍的石英,促進金屬雜質(zhì)浸出。

無氟浸出：氫氟酸作為高純石英酸處理提純中的主要原料，提純效果十分優(yōu)異，但氫氟酸是一種高污染材料，使用不當易引發(fā)大規(guī)模的環(huán)境問題。對此，學者開始重點研究不使用氫氟酸的酸處理工藝。當前無氟浸出仍處于實驗室研究階段,但是大量的試驗成果為以后無氟浸出在石英工業(yè)生產(chǎn)中的應用奠定了基礎(chǔ)。

超聲波輔助浸出法

為了有效提升浸出效率，超聲波輔助浸出技術(shù)是一種常見的手段。超聲波是一種頻率較高的機械波，它在液體中傳播時會產(chǎn)生空化效應，從而形成局部的空化力，使得石英顆粒表面的液體受到這種力的沖擊而破裂，進入液相，最終實現(xiàn)輔助浸出的目標。

高溫焙燒法

高溫焙燒法通常是通過焙燒石英，使流體包裹體達到均一溫度，繼續(xù)加熱使流體包裹體內(nèi)部應力超過石英的承受能力，使流體包裹體發(fā)生爆裂而暴露，后續(xù)再使用酸處理來溶解這些包裹體雜質(zhì)。

微波加熱

微波加熱是一種熱效率高、加熱速度快、清潔無污染的加熱方式，不同于傳統(tǒng)的煅燒由外到內(nèi)的加熱過程，它的加熱過程是由內(nèi)向外進行的，因此，其溫度分布與傳統(tǒng)加熱不同。微波加熱中，材料通過與電磁場的分子相互作用而在材料內(nèi)部產(chǎn)生熱量。材料的微波吸收能力與其介電常數(shù)有關(guān)。

石英礦物在微波場中的反應是復雜的。在微波加熱過程中，石英礦物被加熱到一個設(shè)定溫度，其中的流體包裹體從兩相或多相變?yōu)榫鶆虻膯蜗嗔黧w。當包裹體達到設(shè)定溫度時，氣液包裹體中的水分迅速蒸發(fā)。包裹體的拉應力增大，壓力也增大，使石英界面產(chǎn)生裂紋并使包裹體暴露出來。

氯化焙燒

氯化焙燒是指在一定的溫度和氣氛下，通過氯化劑與石英砂中的雜質(zhì)進行反應將雜質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗷蚰巯嗟穆然铮瑥亩_到去除雜質(zhì)的目的。在氯化焙燒的過程中，石英砂內(nèi)部由于包裹體的爆裂產(chǎn)生的裂紋和石英相變形成的裂紋交叉建立內(nèi)層包裹體雜質(zhì)的遷移通道，同時也為晶格雜質(zhì)向晶體表面擴散提供了路徑。擴散至表面的金屬雜質(zhì)與氯化劑形成氯化產(chǎn)物，然后通過揮發(fā)被帶走，這進一步促進了該過程的發(fā)生。氯化焙燒可以有效去除石英砂中的晶體結(jié)構(gòu)雜質(zhì)。

結(jié)語

石英礦中所含的雜質(zhì)元素有三種賦存狀態(tài)，包括脈石礦物雜質(zhì)、包裹體雜質(zhì)和晶格雜質(zhì)，石英礦中所含雜質(zhì)元素的具體去除方法和工藝，需要首先結(jié)合相應的測試分析方法，確定所含雜質(zhì)元素與石英晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系，然后再選擇合適的去除方法進行。

參考來源：
蒙海章.高純石英制備技術(shù)研究進展及市場分析
李文成等.石英雜質(zhì)元素及提純技術(shù)的研究進展
郜潤博等.高純石英加工提純技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望
王碩等.石英礦中雜質(zhì)賦存狀態(tài)與去除方法研究進展
張晨曦等.高純石英砂的研究進展：從原料提純到功能化應用
施婭穎等.高純石英的雜質(zhì)類型及深度提純技術(shù)研究進展