石英高纯度密码：杂质去除全攻略！

石英作为二氧化硅的主要来源，用途非常广泛，常用于玻璃、陶瓷及耐火材料、冶金、化工等工业。随着用途越来越广，相应的石英产品对化学纯度的要求也越来越高。目前，石英常用的提纯技术有预处理技术、物理分离技术和深度提纯技术等。

来源：TQC

01 预处理

高纯石英是从天然矿石中加工提纯而来的，故首先要对原料矿石进行破碎-分级预处理，其目的是实现石英与伴生矿物初步分离及为后续加工提纯提供合适粒度范围的原料。

预处理中常用的粉碎方法主要包括热力粉碎和机械粉碎，这个过程需要注意的是有效单体的解离和杂质对石英的二次污染。由于石英硬度较高，通常采用颚式破碎机、圆锥破碎机进行粗碎，再通过高压辊磨机或球磨机进行细碎。

热力粉碎对石英矿进行破碎虽然耗能较大、成本较高，但相对于传统机械的粉碎方法能更好的降低杂质对石英的二次污染。且石英矿经热力粉碎的石英机械强度更低，质地相比于未经过热力粉碎的石英砂更松软，更能提高磨矿的效率。

02 物理分选技术

物理提纯技术主要包括擦洗、重选、磁选、浮选、煅烧水淬、色选等。物理提纯是基础提纯，只有石英与共伴生矿物、表面吸附物完全解离分离，才能保障化学提纯效果。

擦洗法

擦洗法不仅可以促进石英与脉石矿物的单体解离，而且可以去除石英表面的泥质和黏土矿物表面的微粒赤铁矿和钛铁矿，为增强除铁效果常加入擦洗剂。擦洗剂通常使用低浓度的酸来去除石英表面的薄膜铁。

擦洗法流程

色选/光电分选法

色选法是基于矿物之间的光学特性差异，利用红外线、紫外线等光源将石英中的异色颗粒分拣出来的方法。其具有经济成本低和环保性高等优点，但色选法对试验环境要求(光线强度、温度、湿度等)较为严格，由于环境导致的色差问题，会严重影响分选效果。

光电分选机工作原理

重选法

重选是根据石英矿物与伴生杂质矿物之间密度的不同来去除杂质矿物，其主要适用于与石英有显著密度差异的杂质矿物的分离，如云母、金红石等。高纯石英加工过程中常用的重选设备包括摇床、螺旋溜槽、离心选矿机、脱泥斗等，重选能够在高纯石英加工提纯过程中对关键杂质元素的去除起到重要作用。

磁选法

磁选是根据不同矿物磁导率的差异，通过磁性介质的充磁与失磁将磁性矿物分离的方法，常见的磁选设备包括滚筒磁选机、板式磁选机、高梯度磁选机、电磁浆料机、干式磁选机、超导磁选机等。石英作为非磁性矿物，可通过磁选将磁铁矿、赤铁矿、钛铁矿等磁性共生矿物去除。

浮选法

浮选也是矿物分离常用到的一种提纯工艺，对于赋存在矿物颗粒中的杂质有很好的除杂效果，常被用于分离石英、云母和长石。根据浮选时所使用的溶剂不同，分为无氟浮选和有氟浮选。

氢氟酸法分离长石与石英是一种广泛应用且技术成熟的方法。氢氟酸既能够调整pH值，同时也是长石浮选过程中的活化剂，再配以胺类（阳离子）捕收剂或其他药剂，可以改变长石的表面性能，使其上浮，达到长石石英分离的目的；无氟有酸法是以强酸代替HF，调控矿浆pH值为2~3，用单一胺类捕收剂或阴阳离子组合捕收剂优先浮出长石，从而实现长石与石英浮选分离的方法；无氟无酸法，即不添加氟化物和酸，在中性或碱性的矿浆体系下使长石和石英进行浮选分离。

煅烧-水淬法

煅烧-水淬法工艺流程

煅烧-水淬法是通过温度骤变致使石英与包裹体之间产生界面裂隙的主要方法。通过此方法会导致石英内应力迅速增加，使表面边缘粗糙化，从而产生大量的孔隙结构。煅烧-水淬法可使石英比表面积和孔隙率增大，从而增加后续酸浸工艺中酸液与杂质的接触概率，使酸浸效率大大提升。

03 化学提纯法

石英矿石经过选矿等物理方法初步提纯后，要想获得更高纯度的石英，则需要进行化学提纯。化学提纯技术包括酸浸出法、碱浸出法以及热处理法等。

酸浸出法

大多数杂质在经历过磁选、浮选等物理提纯工序后均能够被去除，但石英晶体、晶格内部的杂质却难以被去除。因此，为能有效的将石英晶体内部的杂质和包裹体去除，酸浸便是深度提纯最好的手段。酸浸是利用强酸将金属杂质溶解，并将溶解后的金属离子和酸液排出，从而达到提纯的目的。现阶段，通常采用盐酸、硫酸、硝酸和氢氟酸以不同配比形成的混合酸对石英颗粒进行酸浸处理。

有氟浸出：氢氟酸酸洗可以除去石英表面大部分的杂质，对石英、云母和长石都有较好的溶解作用，二聚物（HF）2和HF2-是氢氟酸溶液中主要活性成分之一，会对Si原子产生亲核性侵蚀,使Si-O键断裂，溶解包裹体周围的石英,促进金属杂质浸出。

无氟浸出：氢氟酸作为高纯石英酸处理提纯中的主要原料，提纯效果十分优异，但氢氟酸是一种高污染材料，使用不当易引发大规模的环境问题。对此，学者开始重点研究不使用氢氟酸的酸处理工艺。当前无氟浸出仍处于实验室研究阶段,但是大量的试验成果为以后无氟浸出在石英工业生产中的应用奠定了基础。

超声波辅助浸出法

为了有效提升浸出效率，超声波辅助浸出技术是一种常见的手段。超声波是一种频率较高的机械波，它在液体中传播时会产生空化效应，从而形成局部的空化力，使得石英颗粒表面的液体受到这种力的冲击而破裂，进入液相，最终实现辅助浸出的目标。

高温焙烧法

高温焙烧法通常是通过焙烧石英，使流体包裹体达到均一温度，继续加热使流体包裹体内部应力超过石英的承受能力，使流体包裹体发生爆裂而暴露，后续再使用酸处理来溶解这些包裹体杂质。

微波加热

微波加热是一种热效率高、加热速度快、清洁无污染的加热方式，不同于传统的煅烧由外到内的加热过程，它的加热过程是由内向外进行的，因此，其温度分布与传统加热不同。微波加热中，材料通过与电磁场的分子相互作用而在材料内部产生热量。材料的微波吸收能力与其介电常数有关。

石英矿物在微波场中的反应是复杂的。在微波加热过程中，石英矿物被加热到一个设定温度，其中的流体包裹体从两相或多相变为均匀的单相流体。当包裹体达到设定温度时，气液包裹体中的水分迅速蒸发。包裹体的拉应力增大，压力也增大，使石英界面产生裂纹并使包裹体暴露出来。

氯化焙烧

氯化焙烧是指在一定的温度和气氛下，通过氯化剂与石英砂中的杂质进行反应将杂质转变为气相或凝聚相的氯化物，从而达到去除杂质的目的。在氯化焙烧的过程中，石英砂内部由于包裹体的爆裂产生的裂纹和石英相变形成的裂纹交叉建立内层包裹体杂质的迁移通道，同时也为晶格杂质向晶体表面扩散提供了路径。扩散至表面的金属杂质与氯化剂形成氯化产物，然后通过挥发被带走，这进一步促进了该过程的发生。氯化焙烧可以有效去除石英砂中的晶体结构杂质。

结语

石英矿中所含的杂质元素有三种赋存状态，包括脉石矿物杂质、包裹体杂质和晶格杂质，石英矿中所含杂质元素的具体去除方法和工艺，需要首先结合相应的测试分析方法，确定所含杂质元素与石英晶体结构的关系，然后再选择合适的去除方法进行。

参考来源：
蒙海章.高纯石英制备技术研究进展及市场分析
李文成等.石英杂质元素及提纯技术的研究进展
郜润博等.高纯石英加工提纯技术研究现状与展望
王硕等.石英矿中杂质赋存状态与去除方法研究进展
张晨曦等.高纯石英砂的研究进展：从原料提纯到功能化应用
施娅颖等.高纯石英的杂质类型及深度提纯技术研究进展