高純石英砂高溫氣氛深度提純研究

楊亞運,何海權,邵文浩,趙 龍,劉雪萍,余小琳,武家友,方勝正,周 鈺,朱源濱

(1.中建材蚌埠玻璃工業設計研究院有限公司，蚌埠 233010;2.凱盛石英材料(太湖)有限公司，太湖 246400)

石英砂是自然界較常見且應用十分廣泛的非金屬礦物原料，普通石英砂主要應用在玻璃制品、建筑材料、陶瓷制品、機械鑄造、水泥制品、耐火材料等對石英砂純度要求不高的傳統領域[1]，其制備簡單，只需對原礦進行篩分隔雜或者采用簡單的選礦工藝就能達到要求，中國生產的石英砂大部分應用在了這些領域。而高純石英砂是指 SiO2含量大于 99.995%、總雜質元素含量小于50×10-6的石英砂。高純石英砂是石英玻璃及其制品的唯一原料，主要應用在高新技術產業，如航空航天、生物工程、高頻率技術、電子技術、光纖通信和軍工等領域。隨著科學技術的飛速發展，高純石英砂的市場需求量將持續高速增長，戰略地位非常重要。目前，高純石英砂制備技術一直被美國、德國、俄羅斯等少數國家掌握，并限制技術出口。尤其是尤尼明(Unimin)公司非常注重石英提純工藝的研究，在研究石英玻璃原料提純技術方面投入人力、財力最多，所有研究技術和成果對外不宣傳擴散，已形成了自己獨特的研究體系和原料提純工藝、質量保證體系，其生產自動化程度高、裝備專業化，工業化產量大，產品質量由高純向超高純(二氧化硅含量達 99.999 4%)方向發展。當前我國高純石英砂市場大量依靠進口，提升國內高純石英砂提純加工技術，利用天然石英巖加工制備高純石英砂，具有重要戰略意義和良好的經濟價值。

該文所述工作是采用干燥 HCl作為氯化劑，對石英砂進行高溫氯化提純研究去除K、Na等堿金屬元素。石英砂在高溫環境與高濃度氯化劑聯合作用下，促使氣液包裹體擴散出去，同時氯化劑與晶格雜質發生氣化、擴散反應達到石英深度純化的效果。

1 試驗原料及測試儀器

試驗所用石英試樣來自印度某地，原礦化學分析表明該原料純度較高，具有制備高純石英砂的潛質，見表1。

表1 原礦化學成分分析 /×10-6

從脈石英原礦中取有代表性的礦塊制成砂進行顯微鏡分析，研究石英中包裹體的賦存狀態，如圖1所示。

該石英原礦中存在個體較小的流體包裹體的集合體，呈白色云霧狀雜質的“棉”，分布不均勻。石英砂中氣-液雜質的含量決定最終產品石英玻璃的透明度和其他重要性能，研究天然石英中的流體包裹體和氣-液雜質成分可以幫助我們在不做工業試驗的前提下判斷石英砂的質量，從而確定其能否用于生產透明石英玻璃。

2 結果與討論

試驗所用試劑包括：HCl氣體 (99%)、去離子水 (18.24 MΩ/m)；試驗所用儀器包括：自行設計的高溫管式爐，電子天平(AR2140)。試驗取1 kg經過初步提純后的石英砂，加入自行設計的高溫管式爐中，探索焙燒溫度及焙燒時間對石英砂提純效果的影響，高純石英砂深度提純加工流程見圖2，時間及溫度對去除率的影響見圖3。

試驗結果表明采用本試驗設備的氯化提純工藝可以有效降低石英砂產品中的雜質尤其是鈉、鉀元素的含量，實現了石英砂品質的進一步提升。氯化時間、氯化溫度等參數的條件試驗表明，氯化時間 1 h、氯化溫度 1 000 ℃對石英砂中 Na、K等雜質的提純效果最佳，去除率分別為88.51%、98.31%。

3 機理探究

石英內部的晶格雜質。在晶體生長過程中常有類質同象現象發生，比較典型的是 Al3+替代Si4+進入石英晶格，同時引入了K+、Na+等陽離子實現鍵能平衡，這些都構成石英晶格雜質，對產品的物化性能有重要影響，雜質元素之間(Al-K-O-Na)存在緊密的關系。

高溫環境下，石英晶格中Na元素，在高濃度氯元素的催化下發生鍵能斷開反應并生成NaCl，NaCl在700 ℃左右開始揮發，揮發率急變溫度區為800～1 000 ℃，在1 000 ℃之前完全揮發[5]。

高溫環境下，石英晶格中K元素，在高濃度氯元素的催化下發生鍵能斷開反應并生成KCl。KCl熔點770 ℃左右，熔點較低，氯元素揮發性極強，會促進堿金屬在較低的溫度快速揮發，KCl在950 ℃左右全部揮發，在此過程中液態KCl 由于鹵元素Cl的存在及易揮發為氣態KCl或(KCl)2[6]。

4 結 論

a.該石英原礦中存在個體較小的流體包裹體的集合體，呈白色云霧狀雜質的“棉”，分布不均勻。

b.采用本試驗設備的氯化提純工藝可以有效降低石英砂產品中的雜質，尤其是鈉、鉀元素的含量，實現了石英砂品質的進一步提升。

c.氯化時間、氯化溫度等參數的條件試驗表明，氯化時間1 h、氯化溫度1 000 ℃對石英砂中Na、K等雜質的提純效果最佳，去除率分別為88.51%、98.31%。

d.石英晶格中K、Na元素，在高溫環境以及高濃度氯元素的聯合作用下發生鍵能斷開反應并生成KCl、NaCl并迅速實現氣化-逸出。