張家口石英砂生產(chǎn)廠家服務(wù) 石英砂提純工藝現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)


隨著光電源、電子工業(yè)、光通訊、SiO2 薄膜材料、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路、激光、航天、軍工等高科技產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，對(duì)高品級(jí)的石英原料的需求量越來越大。但由于這些特種石英原料對(duì)質(zhì)量的要求很高 ，通常需求含量大于99.9 %，甚至99.99 %，而允許的雜質(zhì)含量又非常低，只有高品級(jí)天然一、二級(jí)水晶能達(dá)到要求。天然水晶資源日趨枯竭 ，特別是高品級(jí)天然水晶資源更是，并且在世界各地分布極不平衡，95 %的水晶集中在巴西和馬達(dá)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-凝膠及四氧化硅氣相沉淀法等人工合成、用天然硅石加工提純后代替水晶。由于人造水晶和人工合成法產(chǎn)量低、能耗大、成本高 ，故大規(guī)模生產(chǎn)有較大的困難。用自然界大量存在的硅石(包括石英巖、石英砂巖、脈石英為主要礦物的巖石) ，經(jīng)提純后來制備高純或純石英原料，具有來源廣泛、生產(chǎn)成本低、批量大等優(yōu)點(diǎn)，是代替天然水晶的為有效的途徑。
1、國內(nèi)外替代水晶的高純石英原料的加工現(xiàn)狀

我國從20世紀(jì)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(jīng)取得一定進(jìn)展 ，所研究產(chǎn)品能夠達(dá)到二、三、四級(jí)水晶的水平。但由于水晶在我國的儲(chǔ)量有限 ，價(jià)格昂貴，質(zhì)地不均勻，有些礦物雜質(zhì)和工藝過程中的混雜物質(zhì)不可能除掉。

江蘇連云港地區(qū)目前處于用水晶作原料制取超純石英砂的國內(nèi)高水平 ，但是大量的工業(yè)化生產(chǎn)，礦物組織的均勻性和內(nèi)在品質(zhì)的化學(xué)含量的不穩(wěn)定。只適合于中、低檔石英玻璃 ，高純、低羥基石英原料的技術(shù)難關(guān)還未 ，我國大口徑石英管、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(jìn)口。

國外早在20世紀(jì)70年代就開始研究利用石英砂制備高純石英砂的技術(shù)。20 世紀(jì)80年代美國PPCC公司在英國西北海岸 Foxdale 地區(qū)的花崗巖中提純石英，產(chǎn)品 SiO2 的含量達(dá) 99. 99 % ，F(xiàn)e 雜質(zhì)小于1×10-6，其他過渡元素小于5×10-6；20 世紀(jì)90年代到目前世界上大的高純石英供應(yīng)商-美國Unimin 公司在北卡羅來那州 Spruce Pine 地區(qū)的花崗巖中分選、提純出高純石英 ，經(jīng)提純后SiO2的含量達(dá)99. 99%以上，純度高者SiO2的含量達(dá)99. 999%以上，其高純石英在國內(nèi)外原料市場(chǎng)占據(jù)壟斷地位。氧化硅的純度目前正在由99. 9992%向99.9994% 的方向發(fā)展。

日本的 Kemmochi 和Sato分別在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上，綜合使用浮選、磁選、電選、高溫氯化等物理、化學(xué)方法提純技術(shù)，將脈石英加工成純石英玻璃原料，以滿足光學(xué)、光纖套管、電子工業(yè)用石英玻璃生產(chǎn)的需要 。

2、硅石雜質(zhì)賦存狀態(tài)

硅石除了主要礦物石英外 ，通常伴有長石、云母、粘土和鐵質(zhì)等雜質(zhì)礦物。制備的高純和純石英原料 ，是除了二氧化硅外其它都是雜質(zhì)，其中主要的有害雜質(zhì)是含鐵和含鋁雜質(zhì) ，所以硅質(zhì)原料提純方法和工藝流程的進(jìn)步和改進(jìn)也主要體現(xiàn)在對(duì)含鐵雜質(zhì)和含鋁雜質(zhì)的有效脫除上。

鐵在硅石中常以以下幾種形式存在以微細(xì)粒狀態(tài)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面;含在重礦物和鐵礦物等顆粒中;在石英顆粒內(nèi)部呈浸染或透鏡狀態(tài)或以固溶態(tài)存在于石英晶體內(nèi)部。此外，加工過程中也會(huì)混入一定量的機(jī)械鐵。

含鋁雜質(zhì)主要來自長石、云母和粘土礦物 ，還有Al3+ 替代 Si4+ 存在于石英晶格中。這種異價(jià)類質(zhì)同象的替換，常造成堿金屬陽離子進(jìn)入結(jié)構(gòu)空隙，以保持電子的平衡，形成結(jié)構(gòu)雜質(zhì)。

此外 ，硅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 ，原生包裹體是先于主礦物或與主礦物同時(shí)形成的包裹體 ，其特點(diǎn)是包裹體生成后不發(fā)生空間上的移動(dòng)。原生包裹體占據(jù)主礦物結(jié)晶構(gòu)造位置上 ，均勻分布于晶體中。

假次生包裹體是在主礦物結(jié)晶過程中 ，由于應(yīng)力和構(gòu)造作用 ，使已結(jié)晶的礦物發(fā)生破碎和裂開 ，在這些裂隙中 ，成礦溶液又重新進(jìn)入而產(chǎn)生重結(jié)晶時(shí)形成的包裹體。其特點(diǎn)是形成之后在空間上發(fā)生過位移。假次生包裹體外端終止于晶體內(nèi)的一個(gè)生長面 ，并存在著明顯的排列面。

次生包裹體是形成于主礦物結(jié)晶基本完成之后任何過程的包裹體 ，晶體形成后 ，因受外界作用力的影響而破裂 ，產(chǎn)生裂隙 ，這時(shí)在環(huán)境中活動(dòng)的含礦溶液就有可能滲入晶體內(nèi)成為包裹體。次生包裹體一般在后期構(gòu)造愈合的位置上 ，常沿裂隙分布 ，且?guī)捉M包裹體可以相交 ，形狀較為復(fù)雜。

流體體積很小，一般直徑在微米左右，粉碎石英礦時(shí)，次生包裹體就容易被機(jī)械破裂，但原生包裹體，就很難破裂消除 ，即使用高溫滾燒也只能將表面局部氣體包裹體炸裂，不足以改變內(nèi)部微小氣泡狀態(tài)。流體包裹體中的小分子氣體可以通過高溫和延長排氣時(shí)間等排出。但CO、CO2等氣體極難從固體或熔體中排出，造成熔制產(chǎn)品缺陷。

3、選礦提純工藝

根據(jù)硅石礦物原料的雜質(zhì)和包裹體的賦存狀態(tài) ，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(jìn)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(jù)原料礦中雜質(zhì)礦物的賦存狀態(tài)、選礦成本和制品的工業(yè)用途的要求確定的方法按一定的工序聯(lián)合起來制定的。

目前成熟和工業(yè)應(yīng)用廣泛的是“無氟有酸酸性”法，中、堿性和其他方法還于實(shí)驗(yàn)室研究，但由于其自身的性 ，具有良好的應(yīng)用前景。因此其工業(yè)化應(yīng)用研究將是今后發(fā)展的方向。

硅石礦物選礦提純工藝研究雖然已取得很大的進(jìn)展 ，但發(fā)展很緩慢 ，每年發(fā)表該方面的論文不足十篇。筆者認(rèn)為制約硅石代替水晶的選礦提純工藝的發(fā)展的主要因素是：其一， SiO2 和微量元素含量的化驗(yàn)分析的成本和需求度太高，不能被廣泛的研究；其二，包裹體的去除技術(shù)還不理想，只有極少含包裹體數(shù)量少的硅石礦物有可能經(jīng)選礦提純后替代天然水晶生產(chǎn)高純或純石英粉。而絕大多數(shù)的含包裹體較多的硅石礦物還不能用于深加工生產(chǎn)高純或純石英粉。

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