杏彩体育:2023石英砂深度

　　石英是常见矿物之一，主要应用于玻璃、建筑、装饰等传统行业。高纯石英指SiO2纯度极高（＞99.9%）、杂质含量极低（＜20ppm）的石英及制品，是半导体、光伏、光纤、精密光学、照明设备、新型玻璃等产业的重要功能材料，具备硬度大、膨胀系数低等特点。

　　原则上说，高纯石英不是一种矿产，而是由水晶、脉石英、石英岩、花岗伟晶岩等矿石作为原料经过提纯后的一种产品，能够提纯生产高纯石英的矿床成为高纯石英原料矿。

　　行业内，对“高纯”存在多种规格，质量上无统一标准。依据纯度大致可分为硅石、普通石英砂、精制石英砂和高纯石英砂。不同纯度的石英砂在耐高温、耐腐蚀、透光等方面存在差异，故应用场景也有明显区分，从基础的硅酸盐建材原料到精密仪器制造均有涉及。此外，硬度、粒径、色彩等也是石英砂重要的参数指标。

　　当前，高纯石英砂国际公认标准以尤尼明IOTA-CG为准：国际公认的高纯石英砂是以美国尤尼明公司（现矽比科）IOTA-CG为标准，十二种元素杂质（Al,K,Na,Li,Ca,Mg,Fe,Mn,Cu,Cr,Ni,B）的含量小于20ppm，其中碱金属（K,Na,Li）分别小于1ppm的高技术产品。

　　我国学术界认为，SiO2纯度大于99.9%（3N），Fe含量小于10*10-6、Al含量小于25*10-6为高纯石英，进一步可划分为低端（3N）、中端（4N）、高端+（≥4N8）产品。

　　目前，4N级产品主要应用于高级照明、电子封装工业等领域；4N8主要用于光伏、通信等领域；5N级产品则主要应用于半导体、芯片制造等领域。

　　总体来说，高纯石英属于战略资源，各国政府一直将其列入高技术领域，由于其提纯技术难度较高且高纯石英矿源存量有限，因此其制备技术和出口也受到严格保护和限制。欧盟和日本将其列为关键性矿产，俄罗斯已要求不再公开高纯石英原料的开采量和使用量。

　　目前，可规模化量产的石英砂最高纯度可以达到99.999%（5N）及以上，全球具备此规模化量产水平的国家主要有美国、挪威、日本、俄罗斯、英国和德国等。

　　由上可知，高纯石英砂物化特性优异，纯度高、杂质含量低于20ppm是基本要求是基本要求。各纯度标准产品应用领域不同，价格差异大。

　　4N级产品主要应用于高级照明级产品主要应用于高级照明、电子封装工业等领域，价格在价格在600-1,500美元/吨；4N8级产品主要用于光伏、通信工业领域，价格在5,500-8,500美元/吨；5N级产品则主要应用于半导体级产品则主要应用于半导体、芯片制造领域，价格在12,000-15,000美元/吨。

　　为保障拉制晶硅的纯度及坩埚使用寿命，坩埚所用高纯石英砂SiO2含量需达99.998%以上（高于光伏玻璃的98.55%）。

　　据粉体网数据，2023年4月2～3N石英砂价格约在400~600元/吨；纯度4～4N5价格约为50,000~120,000元/吨；而4N8价格在120,000元/吨以上，且市场供不应求。

　　非结构组成性杂质就是指附着在晶体表面或者填充在裂缝中的杂质，如长石、金红石、云母和黏土矿物等，这类杂质通常较容易去除；结构组成性杂质是晶体在生长过程中其他矿物溶液渗入其中，从而被包裹在晶体内部的杂质。

　　这类杂质又分为包裹体和杂质离子两种形式，由于这类杂质存在于晶体内部较难除去，因此，如何除去石英晶体内部的杂质，是制备高纯石英砂的关键。

　　综上，高纯石英的提纯加工，是指除去石英原矿中伴生的包裹体杂质及晶体结构杂质的作业过程，通常包括煅烧、水淬、矿磨、分级、水洗脱泥、擦洗、电选、磁选、浮选、酸浸、碱浸、高温（气氛）焙烧等工序。可根据加工目的不同，将其分为选前作业准备、预先选别作业、矿物分选作业及深度提纯等。

　　预处理阶段目的是初步筛选杂质或将石英原料破碎到有利于杂质释放与后续处理的所需的粒度，一般采用机械破碎、电动粉碎、光学分选、超声破碎、热冲击破碎等处理方式。

　　石英粉碎处理需要考虑到有效单体的解离效果和粉碎过程中二次污染两个方面的因素。石英解离过程中为了避免铁杂质的二次污染影响和提高解离效果，可采取热力粉碎、高压脉冲粉碎、超声破碎等方式。不过这些方法缺点是能耗大、成本高，而传统机械法相较于上述方法具有低成本和较高的二次污染等特点。

　　相对于传统机械法，脉冲放电破碎岩石具有更明显的优势，高压放电产生的冲击波，使岩石沿晶界断裂并有选择性地指向矿物包裹体，有利于杂质的释放和后续的处理，还可最大程度地保留矿物的粒度和形貌特征；脉冲放电破碎通常在水介质中进行，具有无尘环保的特点。与传统破碎相比，电动破碎在处理杂质方面更有效，而且不会引入大量的铁污染。

　　分选石英中，矿物杂质最常用的方法是磁选和浮选。多段强磁选不仅可以从石英中分选出已单体解离的强磁性和弱磁性矿物杂质，而且对石英中磁性矿物包裹体和连生体也有一定的分选效果。

　　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含量，需要进行多次精选。通过预处理和物理分选后，石英中绝大部分独立矿物杂质已被分离，SiO2含量一般可以达到99.9%左右，但并未达到高纯石英的技术要求，主要因为预处理和物理分选只对石英和独立矿物杂质分离具有较好效果，对降低石英中包裹体和晶格杂质几乎无作用。

　　高温煅烧，使得石英晶体膨胀，经水淬后，晶体表面和内部会产生大量的裂纹。裂纹通常出现在界面处以及晶体结构的缺陷处，通过改变煅烧的温度和时间，使包裹体爆裂，其内部的杂质迁移至表面，易于在后续处理中被除去。

　　有研究人员研究了焙烧对包裹体和杂质铁的去除率的影响，研究数据表明，在900℃焙烧了2小时后，杂质铁的去除率达到了41%，同时发现石英原料中水的吸收峰大幅度减少，说明石英砂内部的包裹体经焙烧处理后被去除，达到了提纯效果。

　　水洗和分级脱泥是一种使用较为普遍的选矿方法，对于石英矿表面附着的黏土性矿物，具有较好的剔除效果。如宿迁某地的石英矿中含有黏土矿物、铁矿等，其杂质组成主要是Fe2O3和Al2O3。

　　采用螺旋分级机对其进行分级脱泥，经过脱泥处理，原矿中Fe2O3和Al2O3的含量明显下降，使处理过后的精矿纯度达到86.36%，显示出一定的除杂效果。然而，对于石英砂表面粘附性较强的物质，采用这种方法很难去除干净，需要进一步擦洗处理。

　　擦洗是借助机械外力除去石英砂表面的粘附性较强的杂质矿物的过程。擦洗效果与擦洗机的结构、擦洗时间、擦洗次数、样品的浓度等因素有关。以安徽潜山的石英为研究对象，采用热碱自磨的擦洗方法，使SiO2含量由99.5%提高到99.95%，杂质铝从100mg/kg下降到50mg/kg，去除率达到50%，铁杂质从60mg/kg下降到15mg/kg，去除率达到75%。

　　另外，添加药物增大摩擦力能够提高擦洗过程中的分离效果。研究人员使用助擦剂对云南某地的石英矿采用加药擦洗、分级、脱泥、酸浸联合工艺进行提纯，将SiO2含量为98.78%原矿提纯至99.98%，使杂质Fe2O3、Al2O3含量分别从0.26%、0.37%降至0.001%和0.02%，达到高纯石英砂的标准。

　　不同矿物的密度各不相同，利用重力对矿物颗粒的影响，使不同矿物分离的选矿方法即为重选。重选具有一定的除杂效果，但是难以达到生产要求，因此多用于粗选。

　　磁选是利用磁力剔除石英矿中带有磁性的杂质的过程，例如钛铁矿、黑云母等带有磁性的杂质可以通过磁选除去。浮选可以用来除去颗粒细小的杂质矿物。

　　石英砂中的石英是反磁性物质，在磁场中不能被磁化，而其中含Fe、Ti的杂质大多是顺磁性物质，可以被磁化，从而通过磁选可以除去含Fe、Ti的杂质，获得很高的石英砂含量。磁选通常采用的设备是湿式强磁选机。

　　研究人员对焙烧后的石英砂进行磁选实验，磁选设备为周期式高梯度磁选机，磁选后的Fe、Ti含量均显著降低，该实验选出的磁选最优条件为：磁场强度1.7T，磁选次数1次。

　　浮选是通过矿物颗粒表面上的不同物理和化学性质对矿物颗粒进行分离的过程，主要功能是从石英砂中除去相关的矿物云母和长石。

　　以上步骤为物理选矿法，只能去除矿物结构类的杂质，很少能除去石英砂表面的杂质。石英砂越纯，利用价值越高，所以需要化学方法对物料选矿后的石英进行提纯处理。

　　除了氢氟酸和热磷酸以外，SiO2几乎不溶于所有的酸，利用这一特点对石英砂进行酸浸处理可以进一步剔除石英砂中的Fe、Al、Ga、Mg、Na、K等金属杂质离子，使其中杂质离子的含量降低至高纯石英砂的标准，石英砂表面及缝隙中的杂质可以通过酸浸最大限度地去除。

　　与物理选矿相比，化学处理去除杂质效率更高，酸可在微裂缝和晶界内深度渗透的优势可更好的处理包裹体和晶格类型的杂质。酸洗、浸出和热氯化是三种主要的化学处理工艺。

　　酸洗和浸出对包裹体杂质处理效果较好，而热氯化可以清除较难处理的晶格杂质。酸洗是使用盐酸或者硫酸等溶解力较低的酸，而浸出则使用高温的氢氟酸，以最有效地去除表面游离杂质和富集在微裂纹和沿位错的杂质。

　　矿物包裹体混合酸溶解利用石英只能溶解在氢氟酸中，而其他矿物包裹体杂质能被酸溶解的特点，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。

　　天然石英矿物中杂质种类多且存在形式复杂，使用混合酸溶解石英中矿物包裹体杂质对石英砂提纯效果较好。混合酸溶解矿物杂质被认为是高纯石英加工过程中最重要的环节之一，在矿物杂质被溶解的同时，也可能脱除石英中的晶格杂质。但混合酸溶解矿物杂质反应程度低、过程缓慢，不仅消耗了大量时间和酸溶液，同时也造成了严重的环境问题。

　　石英在高温焙烧过程中，随着温度升高，当流体包裹体内部压力大于对石英包裹体束缚压力时，流体包裹体发生突然爆裂，使得内部杂质得以释放，再经后续酸清洗可以溶解流体包裹体内部杂质。

　　氯化脱气是将石英加热到1000-1500℃并通入Cl2、HCl或混合气体的高温处理方法，不仅可以使金属杂质元素在高温下生成气态氯化盐挥发出来，更对石英中的流体包裹体有一定的脱除效果。其原理是：高浓氯气作用下，石英颗粒表面与内部会存在促使流体包裹体向外扩散的化学位梯度，进而脱除了石英中的气液包裹体和羟基（-OH）。

　　氯化脱气除了有助于脱除流体包裹体外，也有助于脱除晶格杂质。其原理是：1500℃时，石英向方石英方向转化，会发生键的断裂和重组，石英晶格发生膨胀，有利于金属杂质元素向石英表面迁移扩散。

　　相比于真空气氛焙烧，氮气气氛焙烧时石英向方石英转化率更大，石英晶格杂质元素迁移效率更高。石英中的杂质组分与氯化剂作用转变为氯化物而会发出来，石英在高温氯化焙烧过程中存在晶型转变，使得石英晶格中的金属离子可能会迁移扩散到石英表面，与HCl、NH4Cl和Cl2等发生化学反应变成易挥发组分而实现与石英的分离。同时也阻止了杂质元素在冷却过程再迁移扩散至石英晶格中。

　　高纯石英砂纯度取决于石英原料质量，高纯石英砂纯度与原料中杂质元素含量高低并不是简单的对应关系，而是与原料工艺矿物学特征所决定的杂质可选择性相关。不同类型的石英矿的矿物学特征存在明显差异。

　　可以说，矿源决定着石英的产品纯度。工业应用的石英矿源主要有天然水晶、石英砂岩、石英岩、脉石英、粉石英、天然石英砂和花岗岩石等7种矿床工业类型。其中，巴西、美国和澳大利亚的资源量最。