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石英砂提純工藝現狀與發展趨勢發布日期:2022-02-21
隨著光電源、電子工業、光通訊、SiO2 薄膜材料、大規模和超大規模集成電路、激光、航天、軍工等高科技產業迅猛發展,對高品級的石英原料的需求量越來越大。但由於這些特種石英原料對質量的要求很高 ,通常需求含量大於99.9 %,甚至99.99 %,而允許的雜質含量又低,隻有高品級天然一、二級水晶能達到要求。天然水晶資源日趨枯竭 ,特別是高品級天然水晶資源更是稀缺,並且在世界各地分布不平衡,95 %的水晶集中在巴西和馬達加斯加 ,使得除此以外的國家都在努力尋找替代品。
目前解決水晶替代原料有三種途徑:人造水晶、 溶膠-凝膠及四氧化矽氣相沉澱法等人工合成、用天然矽石加工提純後代替水晶。由於人造水晶和人工合成法產量低、能耗大、成本高 ,故大規模生產有較大的困難。用自然界大量存在的矽石(包括石英岩、石英砂岩、脈石英為主要礦物的岩石) ,經提純後來製備高純或高純石英原料,具有來源廣泛、生產成本低、批量大等優點,是代替天然水晶的有效的途徑。
1 國內外替代水晶的高純石英原料的加工現狀

我國從20世紀80年代末開始研究石英玻璃的普通石英原料的提純方法和工藝 ,已經取得一定進展 ,所研究產品能夠達到二、三、四級水晶的水平。但由於水晶在我國的儲量有限 ,價格昂貴,質地不均勻,有些礦物雜質和工藝過程中的混雜物質不可能除掉。

江蘇連雲港地區目前處於用水晶作原料製取超純石英砂的國內很高水平 ,但是大量的工業化生產,礦物組織的均勻性和內在品質的化學含量的不穩定。隻適合於中、低檔石英玻璃 ,高純、低羥基石英原料的技術難關還未攻克 ,我國大口徑石英管、高質量石英棒和石英錠以及光通信使用的石英玻璃仍需要大量進口。

國外早在20世紀70年代就開始研究利用石英砂製備高純石英砂的技術。20世紀80年代美國PPCC公司在英國西北海岸 Foxdale 地區的花崗岩中提純石英,產品 SiO2 的含量達 99. 99 % ,Fe 雜質小於1×10-6,其他過渡元素小於5×10-6;20 世紀90年代到目前世界上高純石英供應商-美國Unimin 公司在北卡羅來那州 Spruce Pine 地區的花崗岩中分選、提純出高純石英 ,經提純後SiO2的含量達99. 99%以上,純度高達SiO2的含量達99. 999%以上,其高純石英在國內外原料市場占據壟斷地位。氧化矽的純度目前正在由99. 9992%向99.9994% 的方向發展。

日本的 Kemmochi 和Sato分別在傳統工藝基礎上,綜合使用浮選、磁選、電選、高溫氯化等物理、化學方法提純技術,將脈石英加工成超高純石英玻璃原料,以滿足光學、光纖套管、電子工業用高檔石英玻璃生產的需要 。
2 矽石雜質賦存狀態
矽石除了主要礦物石英外 ,通常伴有長石、雲母、粘土和鐵質等雜質礦物。製備的高純和高純石英原料 ,是除了二氧化矽外其它都是雜質,其中主要的有害雜質是含鐵和含鋁雜質 ,所以矽質原料提純方法和工藝流程的進步和改進也主要體現在對含鐵雜質和含鋁雜質的有效脫除上。

鐵在矽石中常以以下幾種形式存:以微細粒狀態賦存在粘土 ,或者高嶺土化的長石中;以氧化鐵薄膜形式附著在石英顆粒的表麵;含在重礦物和鐵礦物等顆粒中;在石英顆粒內部呈浸染或透鏡狀態或以固溶態存在於石英晶體內部。此外,加工過程中也會混入一定量的機械鐵。

含鋁雜質主要來自長石、雲母和粘土礦物 ,還有Al3+ 替代 Si4+ 存在於石英晶格中。這種異價類質同象的替換,常造成堿金屬陽離子進入結構空隙,以保持電子的平衡,形成結構雜質。

此外 ,矽石中普遍存有流體包裹體 , 按其成因可分原生包裹體、假次生包裹體、次生包裹體三類 ,原生包裹體是先於主礦物或與主礦物同時形成的包裹體 ,其特點是包裹體生成後不發生空間上的移動。原生包裹體占據主礦物結晶構造位置上 ,均勻分布於晶體中。

假次生包裹體是在主礦物結晶過程中 ,由於應力和構造作用 ,使已結晶的礦物發生破碎和裂開 ,在這些裂隙中 ,成礦溶液又重新進入而產生重結晶時形成的包裹體。其特點是形成之後在空間上發生過位移。假次生包裹體外端終止於晶體內的一個生長麵 ,並存在著明顯的排列麵。

次生包裹體是形成於主礦物結晶基本完成之後任何過程的包裹體 ,晶體形成後 ,因受外界作用力的影響而破裂 ,產生裂隙 ,這時在環境中活動的含礦溶液就有可能滲入晶體內成為包裹體。次生包裹體一般在後期構造愈合的位置上 ,常沿裂隙分布 ,且幾組包裹體可以相交 ,形狀較為複雜。
3 選礦提純工藝
根據矽石礦物原料的雜質和包裹體的賦存狀態 ,在選礦提純工藝主要分擦洗-磁選-浮選-酸浸等工藝流程 ,隨著選礦工藝研究的不斷深入,又引進了電選和生物選礦等。

石英砂的選礦提純工藝流程的是根據原料礦中雜質礦物的賦存狀態、選礦成本和製品的工業用途的要求確定的方法按一定的工序聯合起來製定的。

目前成熟和工業應用廣泛的是“無氟有酸酸性”法,中、堿性和其他方法還僅限於實驗室研究,但由於其自身的優越性 ,具有良好的應用前景。因此其工業化應用研究將是今後發展的方向。

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