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，沉積巖和變質巖，是重要的工業礦物原料，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。但隨著國民經濟和科學技術的飛速發展，石英砂的應用已開始涉入高新技術產業領域，是現代科學技術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，雜質含量很低。它具有高的耐溫性，極好的化學特性，優良的電絕緣性和透光性等，被廣泛應用于高端電光源、大規模及超大規模集成電路、太陽能電池、光纖、激光、航天、軍工等領域。

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

要制備高純石英砂，首先要精選原料

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

比較適合提純的石英原料是一、二級天然水晶，純度高、雜質含量低、包裹體少，但大量的工業化生產，很難保證礦物組織的均勻性和內在品質化學含量的一致性，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，并限制提純技術和產品對外出口。

石英砂中礦物雜質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，未與石英晶體發生化學結合；

（2）作為礦物碎片，在其表面化學和物理上與石英晶體結合，這類雜質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。當這種情況發生時，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＋，其含量通常高達數千ppm，因此Al含量是石英礦質量的重要指標。

因此，高效、穩定的高純石英選礦提純技術對我國高純石英砂產業的發展至為關鍵。

高純石英砂產業鏈

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，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，因此對鐵和鋁的有效去除可以顯著體現石英砂提純和工藝的技術進步。常用的工藝有擦洗、重選、磁選、浮選、酸浸等。

（1）擦洗

擦洗是指借助機械力和砂粒間的磨剝力來除去石英砂表面的薄膜鐵、粘結及泥性雜質礦物和進一步擦碎未成單體的礦物集合體，再經分級作業達到進一步提純石英砂的效果。目前主要有棒磨擦洗和機械擦洗。

（2）重選

重選是根據礦物重力的不同對礦物進行篩選。礦物顆粒由于密度的不同在介質中受流體力和機械力的影響不同，產生松散的分層，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礦物和顆粒分離出來。石英砂中的石英是反磁性物質，在磁場中不能被磁化，而其中含Fe、Ti的雜質大多是順磁性物質，可以被磁化，從而通過磁選可以除去含Fe、Ti的雜質，獲得很高的石英砂含量。

磁選通常采用的設備是濕式強磁選機和高梯度磁選機，磁選機的磁場強度可

以調節，又稱為梯度磁選，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（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。通常石英礦物經過磁選后，會再進行擦洗作業，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性質對礦物顆粒進行分離的過程，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和作業環境中的性質和作用可以將其分為捕收劑、調整劑、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，從而將雜質分離出來，得到高純石英砂。石英砂表面及縫隙中的雜質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構類雜質。

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、長石等礦物雜質一般使用氫氟酸進行溶蝕。酸浸常用酸介質有鹽酸、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。

此外，深度提純工藝還有氯化焙燒、輻照色選、超導磁選、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。當前，只有美國尤尼明公司實現該工藝的工業應用，安徽蚌埠玻璃工業設計研究院和東海太平洋公司進行了嘗試，實驗室試驗取得部分成功，但尚未見應用于大規模工業生產。

NH4Cl焙燒提純石英晶格雜質反應機理示意圖

深度提純工藝不管是對設備要求還是技術難度上都門檻極高，另外我國在低雜質檢測技術上尚存在一些問題，與國際先進水平還存在明顯差距。我國達到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，而美國已經達到5N級別，并實現工業化生產。因此對于高純石英砂的制備技術突破，我國仍需長足的研究發展。

結語

近年來，高純石英砂已成為新能源太陽能、光導纖維、信息技術、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、化工等高技術領域不可替代的關鍵原材料，市場需求量越來越大，有廣闊的市場應用前景。

但目前整個產業鏈最關鍵的原料受限較大，下游高端產品生產技術自主化率不足，要向更高層次和更高質量上發展，還面臨的諸多艱巨的挑戰。高純石英砂作為現代國防、信息和能源等高新產業必須的關鍵戰略礦物資源，目前嚴重依賴進口美國尤尼明公司產品的局面亟待改變，優質高純石英砂的生產必須要實現獨立自主。

參考來源：

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

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