石英砂大家都不陌生，它是無色、透明的石英的變種，來源于各種巖漿巖，沉積巖和變質(zhì)巖，是重要的工業(yè)礦物原料，廣泛用于玻璃、鑄造、陶瓷及防火材料、冶煉硅鐵、冶金熔劑、冶金、建筑、化工、塑料、橡膠、磨料，濾料等工業(yè)。但隨著國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，石英砂的應(yīng)用已開始涉入高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要新型功能材料。

高純石英砂是SiO2含量高于99.9%的石英砂，為白色粉末，無異色，雜質(zhì)含量很低。它具有高的耐溫性，極好的化學(xué)特性，優(yōu)良的電絕緣性和透光性等，被廣泛應(yīng)用于高端電光源、大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路、太陽能電池、光纖、激光、航天、軍工等領(lǐng)域。

由于生產(chǎn)原料的特殊性和技術(shù)保密等原因，目前，全球能批量化生產(chǎn)高純石英砂的企業(yè)極少，主要被尤尼明、挪威TQC和石英股份等企業(yè)壟斷。

要制備高純石英砂，首先要精選原料

世界上只有少數(shù)幾種原礦可以生產(chǎn)高純度的石英砂用于高科技工業(yè)。這種原礦資源儲量較少，由于開采力度加大，已經(jīng)逐漸枯竭。

比較適合提純的石英原料是一、二級天然水晶，純度高、雜質(zhì)含量低、包裹體少，但大量的工業(yè)化生產(chǎn)，很難保證礦物組織的均勻性和內(nèi)在品質(zhì)化學(xué)含量的一致性，我國水晶儲量少，且分布不均勻，很難滿足工業(yè)需求。

其次是天然巖石礦物，如石英巖、石英砂巖和脈石英是我國生產(chǎn)高純石英砂的主要原材料，原料儲量豐富。但提純要求極高，目前被美國、日本、德國等國家壟斷，并限制提純技術(shù)和產(chǎn)品對外出口。

石英砂中礦物雜質(zhì)通常以非石英礦物的形式存在，如長石、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：

（1）作為松散的伴生礦物，未與石英晶體發(fā)生化學(xué)結(jié)合；

（2）作為礦物碎片，在其表面化學(xué)和物理上與石英晶體結(jié)合，這類雜質(zhì)主要為含鐵礦物和含鋁礦物；

（3）被石英顆粒包裹或被相互結(jié)合的石英晶體包圍的礦物；

（4）作為間隙離子取代硅，這些雜質(zhì)主要有：Al^3＋、Fe^2＋、Fe^3＋、B^3＋、Ti^4＋、Ge^4＋、P^5＋等，這些離子取代Si^4＋，形成共價鍵。當(dāng)這種情況發(fā)生時，通常會伴隨著Li^＋、K^＋、Na^＋和H^＋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Al^3＋和Si^4＋半徑相近，易替代Si^4＋，其含量通常高達(dá)數(shù)千ppm，因此Al含量是石英礦質(zhì)量的重要指標(biāo)。

因此，高效、穩(wěn)定的高純石英選礦提純技術(shù)對我國高純石英砂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展至為關(guān)鍵。

高純石英砂產(chǎn)業(yè)鏈

高純石英砂的制備

石英砂的提純主要是除去其中少量或微量雜質(zhì)，獲得高純石英砂。氧化鐵和氧化鋁是石英砂中的主要有害物質(zhì)，因此對鐵和鋁的有效去除可以顯著體現(xiàn)石英砂提純和工藝的技術(shù)進(jìn)步。常用的工藝有擦洗、重選、磁選、浮選、酸浸等。

（1）擦洗

擦洗是指借助機(jī)械力和砂粒間的磨剝力來除去石英砂表面的薄膜鐵、粘結(jié)及泥性雜質(zhì)礦物和進(jìn)一步擦碎未成單體的礦物集合體，再經(jīng)分級作業(yè)達(dá)到進(jìn)一步提純石英砂的效果。目前主要有棒磨擦洗和機(jī)械擦洗。

（2）重選

重選是根據(jù)礦物重力的不同對礦物進(jìn)行篩選。礦物顆粒由于密度的不同在介質(zhì)中受流體力和機(jī)械力的影響不同，產(chǎn)生松散的分層，從而礦石顆粒被分離。

（3）磁選

磁選是將石英砂中的磁性雜質(zhì)礦物和顆粒分離出來。石英砂中的石英是反磁性物質(zhì)，在磁場中不能被磁化，而其中含Fe、Ti的雜質(zhì)大多是順磁性物質(zhì)，可以被磁化，從而通過磁選可以除去含Fe、Ti的雜質(zhì)，獲得很高的石英砂含量。

磁選通常采用的設(shè)備是濕式強(qiáng)磁選機(jī)和高梯度磁選機(jī)，磁選機(jī)的磁場強(qiáng)度可

以調(diào)節(jié)，又稱為梯度磁選，用弱磁除去磁鐵礦，用強(qiáng)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(qiáng)磁選等方法。通常石英礦物經(jīng)過磁選后，會再進(jìn)行擦洗作業(yè)，這樣會使石英砂的純度和白度提高。

（4）浮選

浮選是通過礦物顆粒表面上的不同物理和化學(xué)性質(zhì)對礦物顆粒進(jìn)行分離的過程，主要用以去除與石英共生的云母、長石類礦物，也能浮選含磷、含鐵礦物。浮選藥劑的種類很多，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(diào)整劑、起泡劑，礦漿的pH值和捕收劑種類、用量對浮選提純效果有顯著的影響。

（5）酸浸

石英不溶于酸（氫氟酸除外），通過酸對鐵及其他有害元素的溶解作用，從而將雜質(zhì)分離出來，得到高純石英砂。石英砂表面及縫隙中的雜質(zhì)可以通過酸浸最大限度地去除，磁選和浮選等物理方法只能除去礦物結(jié)構(gòu)類雜質(zhì)。

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(qiáng)的濃硫酸、王水和氫氟酸用于Cr和Ti的去除。

此外，深度提純工藝還有氯化焙燒、輻照色選、超導(dǎo)磁選、高溫真空等等。氯化焙燒是一種深度提純工藝，成本較高，處理能力有限，具有一定危險性。當(dāng)前，只有美國尤尼明公司實現(xiàn)該工藝的工業(yè)應(yīng)用，安徽蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計研究院和東海太平洋公司進(jìn)行了嘗試，實驗室試驗取得部分成功，但尚未見應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

NH4Cl焙燒提純石英晶格雜質(zhì)反應(yīng)機(jī)理示意圖

深度提純工藝不管是對設(shè)備要求還是技術(shù)難度上都門檻極高，另外我國在低雜質(zhì)檢測技術(shù)上尚存在一些問題，與國際先進(jìn)水平還存在明顯差距。我國達(dá)到3N~4N還僅限于粉料，粒度40目~70目和70目~140目的高純石英砂僅限于3N，而美國已經(jīng)達(dá)到5N級別，并實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。因此對于高純石英砂的制備技術(shù)突破，我國仍需長足的研究發(fā)展。

結(jié)語

近年來，高純石英砂已成為新能源太陽能、光導(dǎo)纖維、信息技術(shù)、激光、航空航天、國防軍工、核動力能源儲存玻璃（防輻射)、高溫玻璃、集成電路、石英紺壇、硅錠、硅棒、硅片、單晶硅、多晶硅、儀器儀表、化工等高技術(shù)領(lǐng)域不可替代的關(guān)鍵原材料，市場需求量越來越大，有廣闊的市場應(yīng)用前景。

但目前整個產(chǎn)業(yè)鏈最關(guān)鍵的原料受限較大，下游高端產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)自主化率不足，要向更高層次和更高質(zhì)量上發(fā)展，還面臨的諸多艱巨的挑戰(zhàn)。高純石英砂作為現(xiàn)代國防、信息和能源等高新產(chǎn)業(yè)必須的關(guān)鍵戰(zhàn)略礦物資源，目前嚴(yán)重依賴進(jìn)口美國尤尼明公司產(chǎn)品的局面亟待改變，優(yōu)質(zhì)高純石英砂的生產(chǎn)必須要實現(xiàn)獨立自主。

參考來源：

高純石英砂的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展，石鈺、張磊、周東站、孫勇、廉嬌、王云、張敬、許慧超、于浩洋、樊志恒；（中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司建材行業(yè)特種光電材料重點實驗室，北京 100024）

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