高純石英砂是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎，其應用領(lǐng)域涉及到光纖、軍事、航天工業(yè)等。這些領(lǐng)域對石英砂原料的純度要求極為嚴苛，要求石英砂中雜質(zhì)含量非常低，特別是對Fe、Al等雜質(zhì)含量要求極高。因此，石英砂純化技術(shù)關(guān)乎我國高新技術(shù)領(lǐng)域的長(cháng)遠發(fā)展。目前，高純石英砂提純技術(shù)被美國、德國等國家壟斷，并限制提純技術(shù)和產(chǎn)品對外出口，因此掌握高純石英提純技術(shù)意義重大。
　　
　　石英砂中礦物雜質(zhì)通常以非石英礦物的形式存在，如長(cháng)石、云母、石榴石、鋯石、鈦鐵礦和許多其它礦物。這些雜質(zhì)的存在方式主要有以下幾種：
　?。?）作為松散的伴生礦物，未與石英晶體發(fā)生化學(xué)結合；
　?。?）作為礦物碎片，在其表面化學(xué)和物理上與石英晶體結合，這類(lèi)雜質(zhì)主要為含鐵礦物和含鋁礦物；
　?。?）被石英顆粒包裹或被相互結合的石英晶體包圍的礦物；
　?。?）作為間隙離子取代硅，這些雜質(zhì)主要有：Al3＋、Fe2＋、Fe3＋、B3＋、Ti4＋、Ge4＋、P5＋等，這些離子取代Si4＋，形成共價(jià)鍵。當這種情況發(fā)生時(shí)，通常會(huì )伴隨著(zhù)Li1＋、K1＋、Na1＋和H1＋等元素的摻雜以保持SiO2晶格的電中性。Al元素是石英礦中主要雜質(zhì)元素之一，且Al3＋和Si4＋半徑相近，易替代Si4＋，其含量通常高達數千ppm，因此Al含量是石英礦質(zhì)量的重要指標。
　　
　　目前，高純石英砂提純工藝主要包括機械粉碎、磁選、浮選、酸浸、煅燒、水淬、高溫氯化焙燒等。法能夠有效去除石英晶格內的金屬離子
　　雜質(zhì)。
　　
　　1、機械粉碎
　　
　　機械粉碎是利用機械作用力使礦物粒度減小的方法。在高純石英提純工藝中，這個(gè)過(guò)程主要是使石英礦物中的非結構性雜質(zhì)與石英分離，非結構性雜質(zhì)是指礦物包裹體（礦物雜質(zhì)）和氣－液包裹體（流體包裹體），礦物雜質(zhì)賦存在石英晶界，石英原礦物經(jīng)過(guò)粉碎后，粒度減小，比表面積增大，使得晶界間雜質(zhì)暴露在石英顆粒的外表面，進(jìn)而提高后續工序的提純處理效率。
　　
　　在機械粉碎過(guò)程中，由于石英礦物質(zhì)地相對較硬，頻繁與設備接觸撞擊摩擦，不可避免引入雜質(zhì)，造成污染。對于該問(wèn)題目前最有效的解決方法有：自磨和高壓脈沖粉碎技術(shù)。
　　
　　自磨是以粉碎物料本身作為研磨介質(zhì)，這樣能很大程度減少研磨介質(zhì)對于所需礦物的污染。高壓脈沖粉碎技術(shù)是一項世界先進(jìn)的破碎技術(shù)，通過(guò)發(fā)出90～200kV的高壓，然后在瞬間通過(guò)高壓放電到水中的固體樣品上。高壓脈沖放電在礦物內形成微等離子體通道，發(fā)出沖擊波，石英礦塊沿晶界進(jìn)行斷裂，選擇性從礦物晶粒間分離，是已知唯一一種可直接作用于晶界間的分離方法。
　　
　　羅紹東等利用濕法球磨工藝對石英礦物進(jìn)行了超細粉碎，對球磨分散后的石英顆粒進(jìn)行粒徑測試，其平均粒徑可達0.5～3μm，通過(guò)SEM對石英細粉進(jìn)行掃描，觀(guān)察到球磨后顆粒表面周?chē)g化，球形度明顯增加；又利用水洗、酸浸進(jìn)行提純，得到的石英白度明顯提高，對研究石英開(kāi)發(fā)應用有一定參考價(jià)值。
　　
　　2、磁選
　　
　　磁選原理是根據石英礦物的磁性不同，從石英礦中分離磁性礦物雜質(zhì)的一種選別雜質(zhì)的手段。在高純石英的提純工藝中，磁選的用途和目的是為了去除帶有磁性的石英原礦包裹體中的一些磁性礦物，如磁性鈦鐵礦、黃鐵礦、褐鐵礦和石榴石等，一些帶有磁性的礦物包裹體的粒子也可以通過(guò)磁選去除。含鐵的雜質(zhì)尤其是屬于磁性的物質(zhì)易被有效的磁化，而石英礦物尤其是非金屬磁性的物質(zhì)不能被有效的磁化，利用這一差異磁選方法可將大量的磁性石英雜質(zhì)從高純石英金屬礦物中分離和去除。
　　
　　磁選作業(yè)對于石英原礦中的鐵、鈦等磁性雜質(zhì)的去除和分離效果較好。磁選機的磁場(chǎng)強度可
　　以調節，又稱(chēng)為梯度磁選，用弱磁除去磁鐵礦，用強磁去除鈦鐵礦、褐鐵礦、赤鐵礦、石榴石等磁性礦物。針對石英原礦中存在的重礦物雜質(zhì)（比重大于2.86的陸源碎屑礦物，如鋯石、綠簾石、石榴石等），一般采用重選、強磁選等方法。通常石英礦物經(jīng)過(guò)磁選后，會(huì )再進(jìn)行擦洗作業(yè)，這樣會(huì )使石英砂的純度和白度提高。
　　
　　3、浮選
　　
　　浮選是根據礦體表面天然或改性后潤濕性的差異，將疏水性物質(zhì)與親水性物質(zhì)選擇性的分離。在高純石英的提純工藝中，浮選主要用以去除與石英共生的云母、長(cháng)石類(lèi)礦物，也能浮選含磷、含鐵礦物。浮選藥劑的種類(lèi)很多，按照在石英砂浮選的介質(zhì)和作業(yè)環(huán)境中的性質(zhì)和作用可以將其分為捕收劑、調整劑、起泡劑。
　　
　　根據所選用的藥劑不同，石英砂浮選又可以分為有氟石英砂浮選和無(wú)氟石英砂浮選。有氟石英砂浮選是使用含氟藥劑，例如用氫氟酸（HF）作為長(cháng)石活化劑，利用硫酸作為調整劑，使得在pH＝2～3的強酸性條件下，用十二胺等陽(yáng)離子作捕收劑，預先吸附活化之后的長(cháng)石進(jìn)而分離。同樣無(wú)氟石英浮選就是在不使用含氟藥劑的情況下，采取硫酸或鹽酸作為石英中雜質(zhì)礦物的活化劑，然后用相對應的捕收劑使石英和雜質(zhì)礦物浮選分離。另外有研究表明，混合捕收劑相比于單一捕收劑浮選效果要好且相對節約成本。
　　
　　雷紹民等人對脈石英砂礦漿進(jìn)行反浮選制備高純石英砂，采用混合捕收劑進(jìn)行精粗結合的石英砂提純，得到了4N級的石英產(chǎn)品。起泡劑2＃油用量均為75g/t，粗選時(shí)石英砂經(jīng)過(guò)硫酸酸化處理，捕收劑選用丙撐二胺；精選時(shí)選用辛基羥肟酸和石油磺酸鈉的混合捕收劑按1:4配比。在實(shí)驗結果中，雜質(zhì)去除占比超五成，雜質(zhì)總量為99.01μg/g，元素Al和Fe去除率分別達到了37.50%和84.15%。
　　
　　4、酸浸
　　
　　酸浸是根據石英、云母及長(cháng)石在酸性溶液中溶解能力的不同進(jìn)行石英純化的手段。酸浸能夠有效除去石英中鐵礦石及石英微粒表面的氧化物薄膜，對于云母、長(cháng)石等礦物雜質(zhì)一般使用氫氟酸進(jìn)行溶蝕。酸浸常用酸介質(zhì)有鹽酸、硫酸、硝酸、醋酸和氫氟酸，其中稀酸去除Al和Fe的效果較好，酸性更強的濃硫酸、王水和氫氟酸用于Cr和Ti的去除。
　　
　　研究表明，稀酸與氫氟酸同時(shí)存在能夠有效除去Fe、Al、Mg等金屬雜質(zhì)，但是要控制好氫氟酸的用量，這是因為氫氟酸可以侵蝕石英顆粒。采用不同種類(lèi)的酸，對提純加工質(zhì)量也有影響，其中HCl與HF混合酸的加工效果最好。
　　
　　Xiong等采用HCl和HF混合浸出劑對磁選后的石英砂進(jìn)行提純。通過(guò)化學(xué)浸出，雜質(zhì)元素總量為40.71μg/g，SiO2純度高達99.993wt%。
　　
　　酸浸的本質(zhì)是酸液與雜質(zhì)礦物的相互作用，因此在酸浸過(guò)程中，溫度對于反應速率以及最終的提純效果影響很大。Yang等以鹽酸和草酸作為混合浸出劑，研究了酸浸溫度、時(shí)間以及濃度對石英提純效果的影響，最終確定了酸浸溫度60℃，酸浸時(shí)間8h，草酸濃度10g/L，HCl濃度5%，液固比1:5，攪拌速度500rpm為酸浸的最佳條件，結果顯示鐵的去除占比達到五成。
　　
　　高溫高壓浸出是一種在高溫高壓環(huán)境下去除雜質(zhì)的浸出工藝，是金屬礦石加工中較為成熟的濕法冶金技術(shù)，該技術(shù)可以有效地降低高溫高壓對酸的消耗，近年來(lái)高溫高壓浸出技術(shù)也開(kāi)始應用于石英礦石的處理。在該工藝中所使用的高溫浸出壓力是由不銹鋼夾套和聚四氟乙烯內膽組成的反應釜提供的封閉環(huán)境提供的，壓力酸浸可以更有效地去除共生體和包裹體，因此浸出過(guò)程對難選礦石的提純效果比磁選和浮選效果好。
　　
　　鐘樂(lè )樂(lè )等發(fā)現高溫高壓酸浸相比常壓混合酸浸具有更好的效果，其中常壓混合酸浸選用濃度0.5mol/L的HF、3.0mol/L的HCl為主浸出劑，采用氧化浸出工藝，氧化劑HNO3為輔助浸出劑，濃度為0.5mol/L，酸浸溫度80℃，酸浸時(shí)間8h，攪拌強度300r/min，液固比為3:1；熱壓混合酸浸采用HF濃度1.2mol/L、HCl濃度3.0mol/L、HNO3濃度1.0mol/L，液固比5:1，反應時(shí)間6h，反應溫度220℃，結果證明高溫高壓酸浸處理后的石英中Al、Fe、K、Na、Ca、Mg等雜質(zhì)含量降低更明顯。
　　
　　5、熱處理
　　
　　在高純石英提純工藝中，熱處理是指對石英進(jìn)行高溫煅燒（800～900℃）。熱處理在石英提純工藝中有兩方面作用，首先石英礦物質(zhì)地堅硬，莫氏硬度達到7，屬于難磨礦物。但石英礦物在內部的晶體結構上存在各向異性，而且礦物中存在的白云母和硅酸鹽礦物等雜質(zhì)膨脹系數與石英存在差異。因此石英礦物經(jīng)過(guò)了高溫煅燒與水淬后，受熱迅速膨脹，急冷緊急收縮時(shí)會(huì )引起應力集中，導致礦物產(chǎn)生裂紋，從而實(shí)現石英破碎。另外高溫煅燒可以有效地破壞白云母和硅酸鹽類(lèi)石英礦物的結構，進(jìn)一步促進(jìn)石英碎裂和內部雜質(zhì)的暴露，這有利于后續酸浸等工藝的進(jìn)行。
　　
　　徐昌等研究了煅燒溫度對酸浸提純效果的影響，酸浸試劑分別選用草酸和硫酸，在800～900℃的范圍，酸浸后鐵雜質(zhì)的去除率在80%左右，但鋁雜質(zhì)去除效果不佳。
　　
　　高溫煅燒的同時(shí)加入氯化劑，即采用氯化焙燒法進(jìn)行石英提純，已被證實(shí)是目前去除石英晶格內雜質(zhì)最有效的方法。它是利用金屬氧化物在高溫環(huán)境下與氯化劑發(fā)生氯化反應，從而生成氣態(tài)金屬氯化物并揮發(fā)，進(jìn)而達到去除金屬氧化物雜質(zhì)的目的。氯化劑的種類(lèi)可分為固態(tài)氯化劑和氣態(tài)氯化劑，固態(tài)氯化劑一般為NaCl、CaCl2、NH4Cl，氣態(tài)氯化劑一般為Cl2、HCl。
　　
　　婁陳林等采用氯化氫（HCl）氣體作為氯化劑進(jìn)行氯化焙燒，利用氮氣作為保護氣體，石英砂氯化提純的焙燒溫度1000℃，焙燒時(shí)間2h，試驗結果表明，超溫氯化焙燒工藝能夠很好地降低Fe、Na、K雜質(zhì)的含量，但對雜質(zhì)元素Al去除效果不佳。
　　
　　資料來(lái)源：《國洪晨,沈建興,王泰林,龐慶樂(lè ),姚紅艷,李魏.物理處理在超純石英制備中的作用[J].山東陶瓷,2020,43(04):10-14》，由【粉體技術(shù)網(wǎng)】編輯整理，轉載請注明出處！