高纯石英砂制备技术研究现状

赵起超

摘要：石英是一种基础材料，具有高硬度、耐高温、耐腐蚀等优异的物化性能，在一些高科技领域有着广泛应用。高端石英产品对石英砂质量要求高，因此深入研究高纯石英砂制备技术对我国科技发展具有重要意义。

关键词：高纯石英砂；原料；用途；制备

一、高纯石英砂的原料

世界上只有少数原矿能生产高纯度石英砂用于高科技工业，这种原矿资源储量少，由于开采力度加大，已逐渐枯竭。传统天然水晶简单提纯生产方法远不能满足工业生产需要，已逐渐从其它石英矿石中寻找高纯石英。我国硅石资源种类繁多，储存量大。石英岩、石英砂岩、脉石英是我国生产石英砂的主要原材料。但大多难以生产高纯石英砂。目前国内以脉石英及花岗伟晶岩为主要原料生产高纯石英砂。

　　1、脉石英。它是由地下岩浆硅热液填充在岩石裂隙中而形成，脉状是脉石英矿的主要呈现形式，二氧化硅含量高达99%。伴生矿物有黄铁矿、赤铁矿、褐铁矿等。

2、花岗伟晶岩。花岗伟晶岩独特的物理化学性质，更易于成为制备高纯石英砂的原料。目前多处于试验阶段。

其他方式：人工合成高纯石英砂。目前多处于小批量试产阶段，二氧化硅含量较高，高售价是制约其推广大规模推广应用的原因。

二、高纯石英砂的用途

高纯石英砂作为一种重要的硅质原料，被广泛应用在光伏产业、半导体、大规模集成电路、光导纤维、高温灯管、石英坩埚、高温玻璃、航空航天等高新技术领域，对高科技硅产业的发展有着重要作用。

1、半导体行业。硅在高温条件下具有良好导电性，在低温下又类似绝缘体，这种独特的电学性能使硅成为半导体行业重要基础材料。半导体行业对单晶硅有着大量需求，而单晶硅通常由高纯石英砂在石英坩埚中经直拉法制备得到。高纯石英砂中金属杂质含量在用于半导体行业时有着严格要求，高纯石英具有良好的热稳定性能，加工时能承受较高的温度梯度冲击和较大的热传导速率，因此以高纯石英砂制备的石英坩埚在生产中可防止坩埚本身对晶片造成污染。

2、照明行业。金属卤素灯具有光照强度高、显色性好、使用寿命长、节能环保等优点，在日常生活中正逐步取代白炽灯和荧光灯，被广泛应用于医疗、搜救、探险、化工等领域。高纯石英砂制作的石英玻璃灯罩具有耐热性能好、热膨胀系数极小、热传导速率快等优点，能承受极高的温度和剧烈温度变化，因此高纯石英砂广泛应用于氙气灯、紫外灯、高强度气体放电灯等高性能高温灯的生产制造。近年来，卤素灯等的节能水平已接近荧光灯并且卤素灯不含水银环保性能好，被广泛用于汽车的前照明灯。随着金属卤素灯在户外照明方面的广泛使用和汽车行业的快速发展，高纯石英砂的市场需求也将逐年增长。

3、光伏行业。随着新能源产业的快速发展，我国光伏产业规模不断壮大，光伏产业中需用到大量晶硅材料，我国光伏产业中硅材料占比达到80%。生产光伏电池的晶硅材料对石英砂中金属杂质的含量有严格要求，以高纯石英砂为原料的石英坩埚具有良好耐热性能，且石英坩埚与晶硅材料同属硅质材料，在高温提炼硅晶体时能避免坩埚对硅晶体造成污染，可用于光伏产业硅晶体提炼或硅片与硅棒的生产，是光伏产业的重要消耗品和工艺耗材。太阳能作为一种清洁能源，在新能源发展中其使用量将进一步增长，而高纯石英砂作为太阳能光伏产业的基础材料，随着光伏产业的快速增长，高纯石英砂的市场需求也将随之增长。

三、高纯石英砂处理工艺

石英矿中杂质根据其组成及存在形式可分为两类：结构组成性、非结构组成性杂质。其中，非结构组成性杂质是指附着在晶体表面或填充在裂缝的杂质，如长石、金红石、云母、粘土矿物等，其易于除去。而结构组成性杂质是指在晶体生长中其他矿物溶液渗入其中，导致被包裹在晶体中的杂质，其又分为两种形式：包裹体、杂质离子。由于这些杂质存在于晶体内部，难以去除，如何去除石英晶体内部的杂质是制备高纯石英砂的关键。

1、焙烧-水淬。高温煅烧导致石英晶体膨胀，水淬后，晶体表面及内部会出现大量裂纹。裂纹通常发生在界面和晶体结构缺陷处，经改变煅烧温度及时间，使包裹体爆裂，内部杂质迁移到表面，便于在后续处理中除去。有学者研究了焙烧对气液包裹体与杂质铁去除率的影响，在900℃焙烧2h后，杂质铁去除率达到41%，而且发现石英原料中水的吸收峰明显降低，说明石英砂内部包裹体经焙烧后被去除，达到了提纯效果。

2、水洗-分级脱泥-擦洗。水洗及分级脱泥是常用的选矿方法，对附着在石英矿表面的粘土矿物有很好的剔除效果。如某地石英矿含有粘土矿物、铁矿等，其杂质成分为Fe2O3及Al2O3。有学者用螺旋分级机对其进行分级脱泥，脱泥处理后原矿中Fe2O3及Al2O3含量显著下降，处理后精矿纯度达到86.36%，显示出一定的除杂效果。然而，对于石英砂表面粘附性强的物质，使用这种方法很难完全去除，需进一步擦洗处理。擦洗是利用机械外力去除石英砂表面附着性强的杂质矿物，其效果与擦洗机结构、时间、次数及样品浓度等因素有关。另外，利用助擦剂，采用加药擦洗、分级、脱泥、酸浸联合工艺对石英矿进行提纯，原矿SiO

2含量由98.78%提纯至99.98%，杂质Fe2O3与Al2O3含量由0.26%、0.37%降至0.001%、0.02%，达到高纯石英砂标准。

3、重选-磁选-浮选。不同矿物密度不同，利用重力对矿物颗粒影响来分离不同矿物的选矿方法是重选。有学者用不同的方法去除石英矿中铁、钛等杂质。结果表明，重选具有一定除杂效果，但难以满足生产要求，因此常被用于粗选。原矿经重选后进行磁选处理，能提高除杂效果，石英矿中Fe2O3及TiO2含量低于0.04%，满足生产要求。另外，磁选是利用磁力去除石英矿中磁性杂质的过程，如钛铁矿、黑云母等带磁性杂质可通过磁选除去。浮选可用来去除颗粒细小的杂质矿物。

4、酸处理。无论是焙烧、脱泥、擦洗、重选、磁选还是浮选，都属于物理处理，只能达到初步的提纯效果，需进一步处理才能达到高纯石英砂质量标准。除氢氟酸及热磷酸外，SiO2几乎不溶于所有酸，利用这一特性对石英砂进行酸浸处理，能进一步剔除石英砂中Fe、Al、Ga、Mg、Na、K等金属杂质离子，将杂质离子含量降低到高纯石英砂标准。

研究表明，混合酸产生的“协同效应”在剔除不同杂质金属离子方面比单酸更有效。有学者将初步纯化的石英砂放入混合酸中进行酸浸处理，结果表明，混合酸对晶格杂质离子具有良好剔除效果，可使SiO2含量提高到99.99%，杂质总量降低到40.71mg/kg，达到高纯石英砂质量标准。

四、其它方法

1、生物浸出。生物浸出法是利用微生物代谢产生的有机酸与矿物杂质反应生成可溶性复合物进行分离提纯的新工艺，常用微生物包括青霉、黑曲霉、草分支杆菌、假单胞菌等。有学者探索了芽孢杆菌对石英砂提纯的影响，并选择巴斯德芽孢杆菌除去石英中方解石。结果表明，经一段时间反应后50g石英砂中方解石溶解掉2.18g。微生物法具有无污染、能耗低优点，但培养微生物环境条件要求高，而且需很长时间才能达到除杂效果，限制了其在工业上的应用。

2、微波法。利用微波选择性加热特性，不同介电常数物质在加热中会在局部产生显著的温差，在界面产生热应力，导致石英晶体出现更多裂缝，能有效促进矿物单体解离，增加杂质矿物反应面积，有利于石英中包裹体的去除。

参考文献：

[1]魏奎先.高纯石英砂制备技术研究进展[J].昆明理工大学学报(自然科学版),2020,45(06):9-20.