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制备高纯石英砂,为什么这么难?
2021年06月07日 发布 分类:w88加工技术 点击量:358
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石英砂大家都不陌生,它是无色、透明的石英的变种,来源于各种岩浆岩,沉积岩和变质岩,是重要的工业矿物原料,广泛用于玻璃、铸造、陶瓷及防火材料、冶炼硅铁、冶金熔剂、冶金、建筑、化工、塑料、橡胶、磨料,滤料等工业。但随着国民经济和科学技术的飞速发展,石英砂的应用已开始涉入高新技术产业领域,现代科学技术的重要新型功能材料

高纯石英砂SiO2含量高于99.9%的石英砂,为白色粉末,无异色,杂质含量很低。它具有高的耐温性,极好的化学特性,优良的电绝缘性和透光性等,被广泛应用于高端电光源、大规模及超大规模集成电路、太阳能电池、光纤、激光、航天、军工等领域。

由于生产原料的特殊性和技术保密等原因,目前,全球能批量化生产高纯石英砂的企业极少,主要被尤尼明、挪威TQC和石英股份等企业垄断

要制备高纯石英砂,首先要精选原料

世界上只有少数几种原矿可以生产高纯度的石英砂用于高科技工业。这种原矿资源储量较少,由于开采力度加大,已经逐渐枯竭。

比较适合提纯的石英原料一、二级天然水晶,纯度高、杂质含量低、包裹体少,但大量的工业化生产,很难保证矿物组织的均匀性和内在品质化学含量的一致性,我国水晶储量少,且分布不均匀,很难满足工业需求。

其次是天然岩石矿物,如石英岩、石英砂岩和脉石英是我国生产高纯石英砂的主要原材料,原料储量丰富。但提纯要求极高,目前被美国、日本、德国等国家垄断,并限制提纯技术和产品对外出口。

石英砂中矿物杂质通常以非石英矿物的形式存在,如长石、云母、石榴石、锆石、钛铁矿和许多其它矿物。这些杂质的存在方式主要有以下几种:

1)作为松散的伴生矿物,未与石英晶体发生化学结合;

2)作为矿物碎片,在其表面化学和物理上与石英晶体结合,这类杂质主要为含铁矿物和含铝矿物;

3)被石英颗粒包裹或被相互结合的石英晶体包围的矿物;

4)作为间隙离子取代硅,这些杂质主要有:Al3Fe2Fe3B3Ti4Ge4P5等,这些离子取代Si4,形成共价键。当这种情况发生时,通常会伴随着LiKNaH等元素的掺杂以保持SiO2晶格的电中性。Al元素是石英矿中主要杂质元素之一,且Al3Si4半径相近,易替代Si4,其含量通常高达数千ppm,因此Al含量是石英矿质量的重要指标。

因此,高效、稳定的高纯石英选矿提纯技术对我国高纯石英砂产业的发展至为关键。

高纯石英砂产业链

高纯石英砂的制备

石英砂的提纯主要是除去其中少量或微量杂质,获得高纯石英砂。氧化铁和氧化铝是石英砂中的主要有害物质,因此对铁和铝的有效去除可以显著体现石英砂提纯和工艺的技术进步。常用的工艺有擦洗、重选、磁选、浮选、酸浸等。

(1)擦洗

擦洗是指借助机械力和砂粒间的磨剥力来除去石英砂表面的薄膜铁、粘结及泥性杂质矿物和进一步擦碎未成单体的矿物集合体,再经分级作业达到进一步提纯石英砂的效果。目前主要有棒磨擦洗和机械擦洗。

(2)重选

重选是根据矿物重力的不同对矿物进行筛选。矿物颗粒由于密度的不同在介质中受流体力和机械力的影响不同,产生松散的分层,从而矿石颗粒被分离。

(3)磁选

磁选是将石英砂中的磁性杂质矿物和颗粒分离出来。石英砂中的石英是反磁性物质,在磁场中不能被磁化,而其中含FeTi的杂质大多是顺磁性物质,可以被磁化,从而通过磁选可以除去含FeTi的杂质,获得很高的石英砂含量。

磁选通常采用的设备是湿式强磁选机和高梯度磁选机磁选机的磁场强度可

以调节,又称为梯度磁选,用弱磁除去磁铁矿,用强磁去除钛铁矿、褐铁矿、赤铁矿、石榴石等磁性矿物。针对石英原矿中存在的重矿物杂质(比重大于2.86的陆源碎屑矿物,如锆石、绿帘石、石榴石等),一般采用重选、强磁选等方法。通常石英矿物经过磁选后,会再进行擦洗作业,这样会使石英砂的纯度和白度提高。

(4)浮选

浮选是通过矿物颗粒表面上的不同物理和化学性质对矿物颗粒进行分离的过程,主要用以去除与石英共生的云母、长石类矿物,也能浮选含磷、含铁矿物。浮选药剂的种类很多,按照在石英砂浮选的介质和作业环境中的性质和作用可以将其分为捕收剂、调整剂、起泡剂矿浆的pH值和捕收剂种类、用量对浮选提纯效果有显著的影响。

(5)酸浸

石英不溶于酸(氢氟酸除外),通过酸对铁及其他有害元素的溶解作用,从而将杂质分离出来,得到高纯石英砂。石英砂表面及缝隙中的杂质可以通过酸浸最大限度地去除,磁选和浮选等物理方法只能除去矿物结构类杂质。

酸浸能够有效除去石英中铁矿石及石英微粒表面的氧化物薄膜,对于云母、长石等矿物杂质一般使用氢氟酸进行溶蚀。酸浸常用酸介质有盐酸、硫酸、硝酸、醋酸和氢氟酸,其中稀酸去除AlFe的效果较好,酸性更强的浓硫酸、王水和氢氟酸用于CrTi的去除。

此外,深度提纯工艺还有氯化焙烧、辐照色选、超导磁选、高温真空等等。氯化焙烧是一种深度提纯工艺,成本较高,处理能力有限,具有一定危险性。当前,只有美国尤尼明公司实现该工艺的工业应用,安徽蚌埠玻璃工业设计研究院和东海太平洋公司进行了尝试,实验室试验取得部分成功,但尚未见应用于大规模工业生产。

NH4Cl焙烧提纯石英晶格杂质反应机理示意图

深度提纯工艺不管是对设备要求还是技术难度上都门槛极高,另外我国在低杂质检测技术上尚存在一些问题,与国际先进水平还存在明显差距。我国达到3N~4N还仅限于粉料,粒度40~70目和70~140目的高纯石英砂仅限于3N,而美国已经达到5N级别,并实现工业化生产。因此对于高纯石英砂的制备技术突破,我国仍需长足的研究发展。

结语

近年来,高纯石英砂已成为新能源太阳能、光导纤维、信息技术、激光、航空航天国防军工核动力能源储存玻璃(防辐射)、高温玻璃、集成电路、石英绀坛、硅锭、硅棒、硅片、单晶硅、多晶硅、仪器仪表、化工等高技术领域不可替代的关键原材料,市场需求量越来越大,有广阔的市场应用前景。

但目前整个产业链最关键的原料受限较大,下游高端产品生产技术自主化率不足,要向更高层次和更高质量上发展,还面临的诸多艰巨的挑战。高纯石英砂作为现代国防、信息和能源等高新产业必须的关键战略矿物资源,目前严重依赖进口美国尤尼明公司产品的局面亟待改变,优质高纯石英砂的生产必须要实现独立自主。

参考来源:

高纯石英砂的制备及应用研究进展石钰张磊周东站孙勇廉娇王云张敬许慧超于浩洋樊志恒(中国建筑材料科学研究总院有限公司建材行业特种光电材料重点实验室,北京 100024

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