高纯石英砂高温气氛深度提纯研究

杨亚运,何海权,邵文浩,赵 龙,刘雪萍,余小琳,武家友,方胜正,周 钰,朱源滨

(1.中建材蚌埠玻璃工业设计研究院有限公司，蚌埠 233010;2.凯盛石英材料(太湖)有限公司，太湖 246400)

石英砂是自然界较常见且应用十分广泛的非金属矿物原料，普通石英砂主要应用在玻璃制品、建筑材料、陶瓷制品、机械铸造、水泥制品、耐火材料等对石英砂纯度要求不高的传统领域[1]，其制备简单，只需对原矿进行筛分隔杂或者采用简单的选矿工艺就能达到要求，中国生产的石英砂大部分应用在了这些领域。而高纯石英砂是指 SiO2含量大于 99.995%、总杂质元素含量小于50×10-6的石英砂。高纯石英砂是石英玻璃及其制品的唯一原料，主要应用在高新技术产业，如航空航天、生物工程、高频率技术、电子技术、光纤通信和军工等领域。随着科学技术的飞速发展，高纯石英砂的市场需求量将持续高速增长，战略地位非常重要。目前，高纯石英砂制备技术一直被美国、德国、俄罗斯等少数国家掌握，并限制技术出口。尤其是尤尼明(Unimin)公司非常注重石英提纯工艺的研究，在研究石英玻璃原料提纯技术方面投入人力、财力最多，所有研究技术和成果对外不宣传扩散，已形成了自己独特的研究体系和原料提纯工艺、质量保证体系，其生产自动化程度高、装备专业化，工业化产量大，产品质量由高纯向超高纯(二氧化硅含量达 99.999 4%)方向发展。当前我国高纯石英砂市场大量依靠进口，提升国内高纯石英砂提纯加工技术，利用天然石英岩加工制备高纯石英砂，具有重要战略意义和良好的经济价值。

该文所述工作是采用干燥 HCl作为氯化剂，对石英砂进行高温氯化提纯研究去除K、Na等碱金属元素。石英砂在高温环境与高浓度氯化剂联合作用下，促使气液包裹体扩散出去，同时氯化剂与晶格杂质发生气化、扩散反应达到石英深度纯化的效果。

1 试验原料及测试仪器

试验所用石英试样来自印度某地，原矿化学分析表明该原料纯度较高，具有制备高纯石英砂的潜质，见表1。

表1 原矿化学成分分析 /×10-6

从脉石英原矿中取有代表性的矿块制成砂进行显微镜分析，研究石英中包裹体的赋存状态，如图1所示。

该石英原矿中存在个体较小的流体包裹体的集合体，呈白色云雾状杂质的“棉”，分布不均匀。石英砂中气-液杂质的含量决定最终产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体包裹体和气-液杂质成分可以帮助我们在不做工业试验的前提下判断石英砂的质量，从而确定其能否用于生产透明石英玻璃。

2 结果与讨论

试验所用试剂包括：HCl气体 (99%)、去离子水 (18.24 MΩ/m)；试验所用仪器包括：自行设计的高温管式炉，电子天平(AR2140)。试验取1 kg经过初步提纯后的石英砂，加入自行设计的高温管式炉中，探索焙烧温度及焙烧时间对石英砂提纯效果的影响，高纯石英砂深度提纯加工流程见图2，时间及温度对去除率的影响见图3。

试验结果表明采用本试验设备的氯化提纯工艺可以有效降低石英砂产品中的杂质尤其是钠、钾元素的含量，实现了石英砂品质的进一步提升。氯化时间、氯化温度等参数的条件试验表明，氯化时间 1 h、氯化温度 1 000 ℃对石英砂中 Na、K等杂质的提纯效果最佳，去除率分别为88.51%、98.31%。

3 机理探究

石英内部的晶格杂质。在晶体生长过程中常有类质同象现象发生，比较典型的是 Al3+替代Si4+进入石英晶格，同时引入了K+、Na+等阳离子实现键能平衡，这些都构成石英晶格杂质，对产品的物化性能有重要影响，杂质元素之间(Al-K-O-Na)存在紧密的关系。

高温环境下，石英晶格中Na元素，在高浓度氯元素的催化下发生键能断开反应并生成NaCl，NaCl在700 ℃左右开始挥发，挥发率急变温度区为800～1 000 ℃，在1 000 ℃之前完全挥发[5]。

高温环境下，石英晶格中K元素，在高浓度氯元素的催化下发生键能断开反应并生成KCl。KCl熔点770 ℃左右，熔点较低，氯元素挥发性极强，会促进碱金属在较低的温度快速挥发，KCl在950 ℃左右全部挥发，在此过程中液态KCl 由于卤元素Cl的存在及易挥发为气态KCl或(KCl)2[6]。

4 结 论

a.该石英原矿中存在个体较小的流体包裹体的集合体，呈白色云雾状杂质的“棉”，分布不均匀。

b.采用本试验设备的氯化提纯工艺可以有效降低石英砂产品中的杂质，尤其是钠、钾元素的含量，实现了石英砂品质的进一步提升。

c.氯化时间、氯化温度等参数的条件试验表明，氯化时间1 h、氯化温度1 000 ℃对石英砂中Na、K等杂质的提纯效果最佳，去除率分别为88.51%、98.31%。

d.石英晶格中K、Na元素，在高温环境以及高浓度氯元素的联合作用下发生键能断开反应并生成KCl、NaCl并迅速实现气化-逸出。