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生产高纯石英,离不开这4项技术!

将石英矿加工为高纯石英就是尽可能分离出石英原料中各种杂质的过程。首先粉碎分级使石英矿物与脉石矿物单体解离并得到相应粒级的石英颗粒,之后再根据石英中杂质元素赋存状态选择有针对性的加工技术使独立矿物杂质、包裹体杂质和晶格杂质与石英有效分离。


一、粉碎-分级预处理技术高纯石英加工过程中粉碎-分级预处理,一是使石英与脉石矿物有效单体解离和流体包裹体释放,二是为后续石英提纯加工提供合适粒度范围的原料。


1.粉碎石英粉碎过程既要考虑石英中脉石矿物有效单体解离,同时也要考虑降低对石英的二次污染。为了避免粉碎过程中铁杂质对石英二次污染,一般选用锆球、玛瑙等作为磨矿介质。热力粉碎作为石英粉碎中常用工艺,不仅降低了石英矿块的硬度和粉碎能耗,通过减少石英与研磨介质的接触时间也降低了石英被二次污染的可能;同时在石英表面产生了微裂隙,有利于石英化学提纯。高压脉冲粉碎利用高压放电在石英块内产生的冲击波,使石英更容易沿容纳了杂质的晶体边界处破碎,有利于石英中的杂质暴露。2.分级分级是根据颗粒的比重、形状或大小的不同进行分选的过程。高纯石英不仅对纯度有苛刻的技术要求,同时对粒度分布也有严格的要求。分级还可以分离出部分细粒级矿泥杂质,由于石英比含铁矿物硬度高,在相同的粉碎条件下脉石矿物更容易被磨细,石英砂中SiO2的品位随着石英砂粒度的变细而降低。


二、石英中共伴生独立矿物分选技术石英能与多种矿物共伴生,色选、擦洗、重选、磁选和浮选等方法是目前最有效从石英中分选出共伴生独立矿物的方法。


分选石英中矿物杂质最常用方法是磁选和浮选。多段强磁选不仅可以从石英中分选出已单体解离的强磁性和弱磁性矿物杂质,而且对石英中磁性矿物包裹体和连生体也有一定分选效果。云母、长石等硅酸盐矿物是石英中铝杂质的主要来源之一,由于其与石英物理、化学性质类似,常采用浮选法进行分离。为了有效降低石英中铝杂质含量,多次精选必不可少。


天然石英中矿物杂质种类、含量和赋存状态等非常复杂,需要根据石英原料的性质选择有针对性的选矿联合工艺,以提高石英与独立矿物杂质的分选效果。通过预处理和物理分选后,石英中绝大部分独立矿物杂质已被分离,SiO2含量一般可以达到99.9%左右,但并未达到高纯石英的技术要求。这主要是因为预处理和物理分选只对石英和独立矿物杂质分离具有显著效果,对降低石英中包裹体杂质和晶格杂质几乎没有作用。


三、包裹体杂质与石英分离技术天然石英矿物几乎都含有矿物包裹体和流体包裹体,大量包裹体的存在不仅增加了高纯石英加工难度,也更是限制了高纯石英质量。1.矿物包裹体混合酸溶解

矿物包裹体混合酸溶解利用石英只能溶解在氢氟酸中,而其他矿物包裹体杂质能被酸溶解的特点,实现石英与杂质的分离,常用的酸有硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸等。


2.流体包裹体高温爆裂石英在高温焙烧过程中,随着温度升高当流体包裹体内部压力大于石英对包裹体束缚压力时,流体包裹体发生突然爆裂内部杂质得以释放,再经后续酸清洗可以溶解流体包裹体内部杂质。3.氯化脱气

氯化脱气是将石英加热到1000~1500℃并通入Cl2、HCl或混合气体的高温处理方法,不仅可以使金属杂质元素在高温下生成气态氯化盐挥发出来,更对石英中的流体包裹体有一定的脱除效果。


四、晶格杂质脱除技术在完全纯净的石英晶体中只含有Si-O键,但由于类质同象替代现象的存在,天然石英中引入了大量的金属-氧(Me-O)键,是天然石英矿物中杂质的主要来源之一。在酸浸提纯石英过程中,TerryB等认为石英晶格中的Me-O键键能和性质决定了金属杂质元素的分离难易程度:
Me(Li+、Na+、K+)-O键能最小,最容易破坏,但由于碱金属离子在石英中起平衡电荷作用,并不能被有效脱除;
Me(Fe3+、Cu2+、Ca2+、Mn2+等)-O键能次之,是石英中较容易脱除的晶格杂质元素;
Me(Al3+、Ti4+)-O键能较大,Al、Ti取代石英晶格中的Si形成新的[AlO4]、[TiO4],是石英中最难脱除的晶格杂质元素。


石英在自然界存在多种不同晶型。石英在发生晶型转变过程中,石英晶体结构也会发生变化,存在于晶格内部的杂质可能会迁移扩散至石英颗粒表面增加了被脱除的可能性。1500℃高温时,石英向方石英相转化,会发生键的断裂和重组,石英晶格发生膨胀,有利于金属杂质元素向石英表面迁移扩散。相比于真空气氛焙烧,氮气气氛焙烧时石英向方石英转化率更大,石英晶格杂质元素迁移扩散效率可能更高。




氯化焙烧是在低于石英熔点温度下,石英中的杂质组分与氯化剂作用转变为氯化物而挥发出来,石英在高温氯化焙烧过程中存在晶型转变,使得石英晶格中的金属离子可能会迁移扩散到石英表面,与HCl、NH4Cl和Cl2等发生化学反应变成易挥发组分而实现与石英的分离,同时也阻止了杂质元素在冷却过程再迁移扩散至石英晶格中。


总体来讲,目前利用天然石英矿物加工高纯石英技术已经逐渐成熟。预处理主要是使天然石英中的杂质充分解离和暴露,物理选矿分离石英与共伴生独立矿物杂质效果显著。包裹体杂质和晶格杂质决定了石英矿提纯加工的极限,虽然关于这两种杂质脱除技术研究已久,但效果不佳,是以后高纯石英加工研究的重点。

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