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      石英砂提純工藝現狀與發展趨勢

      日期:2021/10/27 12:48:33    來源:    作者:管理員  閱讀:次  

        
        隨著光電源、電子工業、光通訊、SiO2 薄膜材料、大規模和超大規模集成電路、激光、航天、軍工等高科技產業迅猛發展,對高品級的石英原料的需求量越來越大。但由于這些特種石英原料對質量的要求很高 ,通常需求含量大于99.9 %,甚至99.99 %,而允許的雜質含量又非常低,只有高品級天然一、二級水晶能達到要求。天然水晶資源日趨枯竭 ,特別是高品級天然水晶資源更是稀缺,并且在世界各地分布極不平衡,95 %的水晶集中在巴西和馬達加斯加 ,使得除此以外的國家都在努力尋找替代品。
        目前解決水晶替代原料有三種途徑:人造水晶、 溶膠-凝膠及四氧化硅氣相沉淀法等人工合成、用天然硅石加工提純后代替水晶。由于人造水晶和人工合成法產量低、能耗大、成本高 ,故大規模生產有較大的困難。用自然界大量存在的硅石(包括石英巖、石英砂巖、脈石英為主要礦物的巖石) ,經提純后來制備高純或超高純石英原料,具有來源廣泛、生產成本低、批量大等優點,是代替天然水晶的最為有效的途徑。
        1、國內外替代水晶的高純石英原料的加工現狀
        我國從20世紀80年代末開始研究石英玻璃的普通石英原料的提純方法和工藝 ,已經取得一定進展 ,所研究產品能夠達到二、三、四級水晶的水平。但由于水晶在我國的儲量有限 ,價格昂貴,質地不均勻,有些礦物雜質和工藝過程中的混雜物質不可能除掉。
        江蘇連云港地區目前處于用水晶作原料制取超純石英砂的國內最高水平 ,但是大量的工業化生產,礦物組織的均勻性和內在品質的化學含量的不穩定。只適合于中、低檔石英玻璃 ,高純、低羥基石英原料的技術難關還未攻克 ,我國大口徑石英管、高質量石英棒和石英錠以及光通信使用的石英玻璃仍需要大量進口。
        國外早在20世紀70年代就開始研究利用石英砂制備高純石英砂的技術。20 世紀80年代美國PPCC公司在英國西北海岸 Foxdale 地區的花崗巖中提純石英,產品 SiO2 的含量達 99. 99 % ,Fe 雜質小于1×10-6,其他過渡元素小于5×10-6;20 世紀90年代到目前世界上最大的高純石英供應商-美國Unimin 公司在北卡羅來那州 Spruce Pine 地區的花崗巖中分選、提純出高純石英 ,經提純后SiO2的含量達99. 99%以上,純度最高者SiO2的含量達99. 999%以上,其高純石英在國內外原料市場占據壟斷地位。氧化硅的純度目前正在由99. 9992%向99.9994% 的方向發展。
        日本的 Kemmochi 和Sato分別在傳統工藝基礎上,綜合使用浮選、磁選、電選、高溫氯化等物理、化學方法提純技術,將脈石英加工成超高純石英玻璃原料,以滿足光學、光纖套管、電子工業用高檔石英玻璃生產的需要 。
        2、硅石雜質賦存狀態
        硅石除了主要礦物石英外 ,通常伴有長石、云母、粘土和鐵質等雜質礦物。制備的高純和超高純石英原料 ,是除了二氧化硅外其它都是雜質,其中主要的有害雜質是含鐵和含鋁雜質 ,所以硅質原料提純方法和工藝流程的進步和改進也主要體現在對含鐵雜質和含鋁雜質的有效脫除上。
        鐵在硅石中常以以下幾種形式存在以微細粒狀態賦存在粘土 ,或者高嶺土化的長石中;以氧化鐵薄膜形式附著在石英顆粒的表面;含在重礦物和鐵礦物等顆粒中;在石英顆粒內部呈浸染或透鏡狀態或以固溶態存在于石英晶體內部。此外,加工過程中也會混入一定量的機械鐵。
        含鋁雜質主要來自長石、云母和粘土礦物 ,還有Al3+ 替代 Si4+ 存在于石英晶格中。這種異價類質同象的替換,常造成堿金屬陽離子進入結構空隙,以保持電子的平衡,形成結構雜質。
        此外 ,硅石中普遍存有流體包裹體 , 按其成因可分原生包裹體、假次生包裹體、次生包裹體三類 ,原生包裹體是先于主礦物或與主礦物同時形成的包裹體 ,其特點是包裹體生成后不發生空間上的移動。原生包裹體占據主礦物結晶構造位置上 ,均勻分布于晶體中。
        假次生包裹體是在主礦物結晶過程中 ,由于應力和構造作用 ,使已結晶的礦物發生破碎和裂開 ,在這些裂隙中 ,成礦溶液又重新進入而產生重結晶時形成的包裹體。其特點是形成之后在空間上發生過位移。假次生包裹體外端終止于晶體內的一個生長面 ,并存在著明顯的排列面。
        次生包裹體是形成于主礦物結晶基本完成之后任何過程的包裹體 ,晶體形成后 ,因受外界作用力的影響而破裂 ,產生裂隙 ,這時在環境中活動的含礦溶液就有可能滲入晶體內成為包裹體。次生包裹體一般在后期構造愈合的位置上 ,常沿裂隙分布 ,且幾組包裹體可以相交 ,形狀較為復雜。
        流體體積很小,一般直徑在微米左右,粉碎石英礦時,次生包裹體就容易被機械破裂,但原生包裹體,就很難破裂消除 ,即使用高溫滾燒也只能將表面局部氣體包裹體炸裂,不足以改變內部微小氣泡狀態。流體包裹體中的小分子氣體可以通過高溫和延長排氣時間等排出。但CO、CO2等氣體極難從固體或熔體中排出,造成熔制產品缺陷。
        3、選礦提純工藝
        根據硅石礦物原料的雜質和包裹體的賦存狀態 ,在選礦提純工藝主要分擦洗-磁選-浮選-酸浸等工藝流程 ,隨著選礦工藝研究的不斷深入,又引進了電選和生物選礦等。
        石英砂的選礦提純工藝流程的是根據原料礦中雜質礦物的賦存狀態、選礦成本和制品的工業用途的要求確定的方法按一定的工序聯合起來制定的。
        目前最成熟和工業應用最廣泛的是“無氟有酸酸性”法,中、堿性和其他方法還僅限于實驗室研究,但由于其自身的優越性 ,具有良好的應用前景。因此其工業化應用研究將是今后發展的方向。
        硅石礦物選礦提純工藝研究雖然已取得很大的進展 ,但發展很緩慢 ,每年發表該方面的論文不足十篇。筆者認為制約硅石代替水晶的選礦提純工藝的發展的主要因素是:其一, SiO2 和微量元素含量的化驗分析的成本和需求精確度太高,不能被廣泛的研究;其二,包裹體的去除技術還不理想,只有極少含包裹體數量少的硅石礦物有可能經選礦提純后替代天然水晶生產高純或超高純石英粉。而絕大多數的含包裹體較多的硅石礦物還不能用于深加工生產高純或超高純石英粉。
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