摘要：高純石英砂是微電(dian)子、光纖通(tong)信、航空航天(tian)等高(gao)新技(ji)術(shu)產業的基礎原(yuan)材料(liao)(liao)，戰(zhan)略(lve)地(di)位非(fei)常(chang)重要(yao)。目前，制(zhi)(zhi)備高(gao)純(chun)石(shi)(shi)英(ying)砂(sha)主要(yao)通(tong)過(guo)化學合(he)成、天(tian)然(ran)(ran)水(shui)晶加工(gong)及石(shi)(shi)英(ying)礦(kuang)物深(shen)度提純(chun)。其中(zhong)，通(tong)過(guo)化學合(he)成和天(tian)然(ran)(ran)水(shui)晶加工(gong)的制(zhi)(zhi)備方法(fa)受原(yuan)料(liao)(liao)、成本、產量等方面的制(zhi)(zhi)約(yue)，難(nan)以大(da)規模工(gong)業應(ying)用；因此，通(tong)過(guo)石(shi)(shi)英(ying)礦(kuang)物制(zhi)(zhi)備高(gao)純(chun)石(shi)(shi)英(ying)砂(sha)的加工(gong)技(ji)術(shu)將(jiang)是未來的主要(yao)研究方向(xiang)。然(ran)(ran)而，我國對(dui)以石(shi)(shi)英(ying)礦(kuang)物為原(yuan)料(liao)(liao)制(zhi)(zhi)備高(gao)純(chun)石(shi)(shi)英(ying)砂(sha)的相關研究起步晚(wan)、研究少，技(ji)術(shu)被歐美發達國家長期壟斷(duan)，市場大(da)量依靠進口。

從原(yuan)料(liao)分析出發，對比了(le)(le)用于制備高純(chun)(chun)石(shi)英(ying)(ying)砂(sha)(sha)的(de)石(shi)英(ying)(ying)原(yuan)礦(kuang)(kuang)的(de)礦(kuang)(kuang)物特性，得(de)出花崗偉(wei)晶(jing)巖和脈石(shi)英(ying)(ying)是制備高純(chun)(chun)石(shi)英(ying)(ying)砂(sha)(sha)的(de)較理想原(yuan)料(liao)。系(xi)統分析了(le)(le)石(shi)英(ying)(ying)原(yuan)礦(kuang)(kuang)中的(de)伴生脈石(shi)礦(kuang)(kuang)物類型以(yi)及Al、Fe、Ca、K等常見(jian)雜質(zhi)元素的(de)存(cun)在形(xing)式和附存(cun)狀態，并著重分析了(le)(le)晶(jing)格雜質(zhi)和包裹體雜質(zhi)的(de)晶(jing)體構型，指(zhi)出了(le)(le)晶(jing)格雜質(zhi)難以(yi)脫(tuo)除是制約高純(chun)(chun)石(shi)英(ying)(ying)砂(sha)(sha)品質(zhi)的(de)主(zhu)要原(yuan)因。

從礦物(wu)加(jia)工(gong)(gong)角(jiao)度，并依據(ju)不同的(de)加(jia)工(gong)(gong)目(mu)的(de)將現(xian)行的(de)高(gao)純石英砂加(jia)工(gong)(gong)技術分成4個大(da)類(lei)，對各類(lei)生產工(gong)(gong)藝狀(zhuang)況進行了詳細的(de)分析概括，指(zhi)出了現(xian)行工(gong)(gong)藝技術的(de)不足以及(ji)與國際先(xian)進技術水平間(jian)的(de)差距(ju)。在此基礎上(shang)提出，目(mu)前高(gao)純石英砂生產和研究(jiu)(jiu)中存在的(de)問題(ti)及(ji)未(wei)來的(de)研究(jiu)(jiu)方向，為(wei)今(jin)后相關研究(jiu)(jiu)提供(gong)理(li)論指(zhi)導(dao)。

石英(ying)砂根據其純度(du)可以分成普通石英(ying)砂和高純石英(ying)砂。

普通工業石英砂是指SiO₂的含量在96%-99%，雜質Fe₂O₃含量小于0.5%、Al₂O₃含量小于2.0%的(de)石(shi)(shi)英砂(sha)。普通工業石(shi)(shi)英砂(sha)主要的(de)應用領域(yu)有玻璃制(zhi)品、陶瓷(ci)制(zhi)品、機械鑄造、水泥(ni)制(zhi)品、耐火材(cai)料(liao)等。其制(zhi)備簡單，只需對原礦進行分級或者采用簡單的(de)選礦工藝就能達(da)到要求(qiu)，中國生產的(de)石(shi)(shi)英砂(sha)大部分應用在(zai)了這些領域(yu)。

高純石英砂是指SiO₂含量大于99.95%、Fe₂O₃含量小于0.0001%、Al₂O₃含量小于0.01%的石英(ying)砂。高純石英(ying)砂主要應(ying)用在高新技(ji)術(shu)產業(ye)，如航(hang)空航(hang)天、生(sheng)物工程、高頻率技(ji)術(shu)、電子技(ji)術(shu)、光纖通信(xin)和軍(jun)工等領域(yu)。

高(gao)(gao)純(chun)(chun)石英(ying)(ying)砂(sha)的(de)戰(zhan)略(lve)地位(wei)非常(chang)重要，制(zhi)備技術(shu)長期被美(mei)(mei)國(guo)、德國(guo)和日本等國(guo)家(jia)壟斷，并嚴(yan)格(ge)限制(zhi)技術(shu)和產品(pin)的(de)出口(kou)(kou)(kou)。我(wo)(wo)國(guo)高(gao)(gao)純(chun)(chun)石英(ying)(ying)砂(sha)的(de)研究(jiu)從20世紀90年(nian)代(dai)開(kai)始(shi)，起(qi)步較晚，雖然取得了(le)一定的(de)成績，但(dan)(dan)僅能制(zhi)備部分中、低檔高(gao)(gao)純(chun)(chun)石英(ying)(ying)砂(sha)。高(gao)(gao)純(chun)(chun)石英(ying)(ying)砂(sha)市(shi)場(chang)大量依(yi)靠進口(kou)(kou)(kou)，據統計數據顯示：2017年(nian)我(wo)(wo)國(guo)出口(kou)(kou)(kou)中、低純(chun)(chun)石英(ying)(ying)砂(sha)80萬(wan)t，出口(kou)(kou)(kou)金(jin)額(e)6237萬(wan)美(mei)(mei)元，但(dan)(dan)進口(kou)(kou)(kou)高(gao)(gao)純(chun)(chun)石英(ying)(ying)砂(sha)28萬(wan)t，進口(kou)(kou)(kou)金(jin)額(e)超(chao)過1.2億美(mei)(mei)元。

目前，制備高純石英砂的方法主要分為3大類：用含硅化合物（如SiCl₄ CH₃SiCl₃和Na₂SiO₃等(deng)）化學(xue)合成；天然水晶粉磨加工(gong)(gong)(gong)；石(shi)英(ying)(ying)礦物(wu)深度提純(chun)(chun)。化學(xue)合成法的(de)原料成本(ben)高(gao)、能耗大、產(chan)量低、工(gong)(gong)(gong)藝復雜(za)、設備(bei)要求高(gao)，且產(chan)品粒(li)度太(tai)細較(jiao)易(yi)團(tuan)聚，難以大規模工(gong)(gong)(gong)業應用(yong)。國(guo)(guo)內(nei)(nei)主要利(li)用(yong)天然水晶加工(gong)(gong)(gong)制備(bei)高(gao)純(chun)(chun)石(shi)英(ying)(ying)砂，但(dan)生產(chan)的(de)高(gao)純(chun)(chun)石(shi)英(ying)(ying)砂為中低檔(dang)，國(guo)(guo)內(nei)(nei)天然水晶資源儲量僅(jin)為0.47億t，且經過30多年的(de)開采，已逐(zhu)漸(jian)枯竭(jie)，不能滿足(zu)高(gao)純(chun)(chun)石(shi)英(ying)(ying)砂日(ri)益增(zeng)長(chang)的(de)需(xu)求；以脈石(shi)英(ying)(ying)、石(shi)英(ying)(ying)巖(yan)和石(shi)英(ying)(ying)砂巖(yan)等(deng)石(shi)英(ying)(ying)礦物(wu)替代(dai)水晶生產(chan)高(gao)純(chun)(chun)石(shi)英(ying)(ying)砂是未來(lai)的(de)主要研究方向(xiang)。

1、石英原礦

1.1 礦(kuang)物類(lei)型

水晶曾是主要的高純石英制備原料，隨著天然水晶資源的枯竭及高純石英砂日益增長的需求，以石英礦石代替水晶生產高純石英砂的技術越來越重要。根據不同成礦特性和理化特性，石英礦物可分為巖漿巖型、變質型、熱液型、沉積型；對應的石英巖分別為花崗偉晶巖、脈石英巖、石英巖和石英砂巖，石英礦物類型和特點如表1所示。其中，花崗偉晶巖和脈石英中的石英晶粒結晶粒度粗，易于單體解離，是替代天然水晶作為加工高純石英中的理想原料；尤其花崗偉晶巖，雖然其石英含量僅30%左右，但石英晶粒很粗（d＞5mm），磨礦后與脈石全部解離，且單體石英雜質含量很少。美國Unimin公司就是以花崗偉晶巖為原料生產高純石英，其花崗偉晶巖資源豐富，礦石性質穩定，以致幾乎壟斷著國際市場上4N8（SiO₂＞99.998%）及(ji)以上(shang)石(shi)英(ying)(ying)(ying)(ying)砂產(chan)品的(de)生產(chan)。我(wo)國(guo)已探明的(de)石(shi)英(ying)(ying)(ying)(ying)礦物包括23.1億t的(de)石(shi)英(ying)(ying)(ying)(ying)巖(yan)，15.5億t石(shi)英(ying)(ying)(ying)(ying)砂巖(yan)，以及(ji)0.5億t脈石(shi)英(ying)(ying)(ying)(ying)，沒(mei)有發現具有工業價(jia)值的(de)大型花崗偉(wei)晶巖(yan)礦床。由于我(wo)國(guo)鮮明的(de)石(shi)英(ying)(ying)(ying)(ying)資源特點(dian)，決(jue)定了利用脈石(shi)英(ying)(ying)(ying)(ying)、石(shi)英(ying)(ying)(ying)(ying)巖(yan)等品質較差(cha)的(de)石(shi)英(ying)(ying)(ying)(ying)原料制(zhi)備高(gao)純石(shi)英(ying)(ying)(ying)(ying)是未來(lai)研究的(de)主要方向(xiang)。

表1 石(shi)英礦(kuang)物類型和特點

礦床類型	石英巖類型	特點	典型礦床
巖漿巖型	花崗偉晶巖	石英含量30%左右，結晶粒度粗，單體石英雜質含量很少	美國北卡羅來那州
熱液型	脈石英巖	石英含量大于99%，含有少量鐵礦物	湖北蘄春，江蘇東海
變質型	石英巖	石英含量在95%-99%，含有少量黏土、長石及鐵礦物	安徽鳳陽，遼寧本溪
沉積型	石英砂巖	石英含量＞95%，含有長石、云母、硅質黏土及金紅石、鐵礦物等	江蘇蘇州，云南昆明

1.2 石英雜質分析

天然石英礦物根據伴生雜質大小、分布、存在形式等特性可分為3類：脈石礦物雜質、包裹體雜質、晶體結構雜質。常見的伴生礦物雜質主要有長石、云母、金紅石、方解石、螢石、赤鐵礦、黃鐵礦和黏土礦物等。主要的雜質元素有Al、Fe、Ca、Mg、Li、Na、K、Ti、B、H，雜質元素可能的賦存狀態和存在形式如表2所示。其中，Al和Fe是石英中危害較大的雜質，不僅能以伴生雜質礦物的形式存在，Al³⁺和Fe³⁺還易替代石英晶格中的Si⁴⁺，形成新的鋁氧四面體和鐵氧四面體，同時造成晶格內部電荷缺陷而引入K⁺、Na⁺、Li⁺、H⁺等電荷補償雜(za)質(zhi)(zhi)。Al和Fe雜(za)質(zhi)(zhi)相對易于檢測(ce)，一般Al、Fe含量(liang)高，其他雜(za)質(zhi)(zhi)的(de)含量(liang)也高，是石(shi)英(ying)品質(zhi)(zhi)非常重(zhong)要的(de)指(zhi)標(biao)。

表2 石英雜質元(yuan)素(su)的(de)賦存狀態和(he)存在形(xing)式

元素	賦存狀態	存在形式
Al	獨立礦物、類質同象	黏土類礦物；Al3+替換晶格Si4+
Fe	獨立礦物、類質同象、包裹體	赤、黃鐵礦等；Fe3+替換晶格Si4+；（亞）微米包裹體
Cu	獨立礦物、包裹體	方解石、螢石等；包裹體中的Ca2+
Mg	獨立礦物、包裹體	白云石、云母等；包裹體中的Mg2+
K	獨立礦物、類質同象、包裹體	鉀長石、黏土礦等；電荷補償雜質；包裹體中的K+
Li	類質同象、包裹體	電荷補償雜質；包裹體中Li+
Na	獨立礦物、類質同象、包裹體	鈉長石、云母等；電荷補償雜質；包裹體中Na+
Ti	獨立礦物、類質同象	金紅石；Ti4+替換晶格中Si4+
B	類質同象	B3+替換晶格中Si4+
H	類質同象、包裹體	電荷補償雜質；包裹體中的水、有機質

通過常規物(wu)理(li)、化(hua)學選(xuan)礦(kuang)手段能夠(gou)有效去除伴生脈(mo)石礦(kuang)物(wu)，高(gao)溫煅(duan)燒可以破壞包裹體的結(jie)構(gou)，經過反復強化(hua)酸浸、堿浸，能夠(gou)明顯降低(di)雜質(zhi)含量。包裹體中的雜質(zhi)種類一般(ban)很多，圖1為(wei)一個亞(ya)微米（約0.25μm）的包裹體示意圖。

但是(shi)石(shi)英晶格中的(de)雜(za)(za)質(zhi)難以(yi)(yi)去除，晶格中雜(za)(za)質(zhi)往往成為高純石(shi)英砂(sha)加工過程中難以(yi)(yi)突破的(de)瓶頸。晶格中雜(za)(za)質(zhi)的(de)存在形式很多，常見存在雜(za)(za)質(zhi)的(de)結構有以(yi)(yi)下幾種(zhong)。 

（1）Al³⁺、Fe³⁺、B³⁺替代Si⁴⁺。正三價的Al³⁺、Fe³⁺、B³⁺替代石英晶格中的Si⁴⁺，形成鋁氧、鐵氧和硼鐵氧四面體，由K⁺、Na⁺、Li⁺離子進(jin)入晶格，平衡電荷(he)的缺(que)失。這種雜(za)質構型可以描述為如下反應方程式和圖2。

Al³⁺（Fe³⁺，B³⁺）+K⁺（Na⁺，Li⁺）→Si⁴⁺

（2）Ti⁴⁺、Ge⁴⁺替代Si⁴⁺。正四價Ti⁴⁺、Ge⁴⁺等價替代石英晶格中的Si⁴⁺，形成鈦氧(yang)、鍺氧(yang)四面體。雜質構(gou)型可以描述為如下反應(ying)方程式(shi)和圖3。

Ti⁴⁺（Ge⁴⁺）→Si⁴⁺

（3）Al³⁺和P⁵⁺耦合替代Si⁴⁺。正三價的Al³⁺和相鄰的正五價的P⁵⁺耦合，P⁵⁺離子的多余正電荷補償Al³⁺離子的電荷空缺，從而替代兩個相鄰的Si⁴⁺，局部形成相鄰的磷氧四面體和鋁氧四面體。雜質構型(xing)可(ke)以描述為(wei)如下(xia)反應方程式和圖4。 

Al³⁺+P⁵⁺→Si⁴⁺+Si⁴⁺

（4）H⁺替代Si⁴⁺。4個H⁺替代Si⁴⁺，在石英晶體中間形(xing)成一個局部的雜質(zhi)缺(que)陷點(dian)。雜質(zhi)構型可以描述(shu)為如下反應方程式和圖(tu)5。 

4H⁺→Si⁴⁺

高純(chun)石英(ying)加工要(yao)求是幾乎不(bu)含(han)Al、Fe、B、Ca、Mg、K、Na等雜質(zhi)元素，總雜質(zhi)含(han)量不(bu)超過0.005%，因此，高純(chun)石英(ying)砂選(xuan)擇制備(bei)原料的(de)時候就應(ying)盡(jin)可能避免含(han)包(bao)裹(guo)體雜質(zhi)和大量晶格缺陷的(de)原料，并(bing)在后續工藝中(zhong)不(bu)僅(jin)要(yao)分離出(chu)所有的(de)伴生脈石，還要(yao)除盡(jin)晶格中(zhong)及包(bao)裹(guo)體中(zhong)的(de)雜質(zhi)。

2、加工工序(xu)

高純石英的(de)加工(gong)工(gong)序(xu)是(shi)指除去石英原礦中伴(ban)生脈石、包裹體(ti)(ti)雜質及晶體(ti)(ti)結構雜質的(de)作業過(guo)程，通(tong)常(chang)包括(kuo)煅燒、水淬、磨(mo)礦、分級、水洗脫(tuo)泥(ni)、擦洗、電選、磁選、浮選、酸浸、堿浸、高溫（氣氛）焙燒等工(gong)序(xu)。根(gen)據加工(gong)目的(de)不同將(jiang)其分為選前準備作業、預先選別作業、礦物分選作業及深度提純作業4個(ge)階段，如表(biao)3所示。

表(biao)3 高純(chun)石英砂加(jia)工(gong)工(gong)序的類(lei)型(xing)

作業階段	加工工序	目的
選前準備	煅燒、水淬、碎磨、分級	石英充分單體解離，并控制產品的粒度范圍
預先選別	水洗、脫泥、擦洗	脫除泥質黏土礦物，及石英砂表面的薄膜鐵、粘結及泥性雜質礦物
礦物分選	電選、重選、磁選、浮選	根據石英與伴生脈石礦物間物理、化學特性的差異，進行分離與分選
深度提純	酸浸、堿浸、絡合處理、高溫（氣氛）焙燒	去除包裹體、石英晶體結構中的雜質

（1）選前(qian)準備。對(dui)入磨前(qian)的(de)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)進行1000℃左(zuo)右的(de)煅燒并水淬，高(gao)溫(wen)煅燒下(xia)，石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)與(yu)脈石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)發(fa)生(sheng)晶型轉變。雜(za)質(zhi)與(yu)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)的(de)膨脹(zhang)率不(bu)同，在(zai)水淬的(de)作用(yong)下(xia)，溫(wen)度急劇下(xia)降，顆粒內部產生(sheng)大量(liang)裂(lie)紋。裂(lie)紋通常(chang)產生(sheng)在(zai)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)與(yu)脈石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)交界處、包裹體(ti)處及晶體(ti)結構缺(que)陷處。破碎磨礦(kuang)后包裹體(ti)雜(za)質(zhi)易暴露(lu)在(zai)石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)礦(kuang)粒表面，強化石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)與(yu)脈石(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)礦(kuang)物單(dan)體(ti)解離的(de)效果。

（2）預先選別。石英原礦磨礦過程中部分易泥化礦物形成微細粒的礦泥，會對后續選別造成不利影響。通過預先水洗、脫泥能夠有效脫除黏土性礦物，且除雜效果顯著。例如，江蘇宿遷馬陵山礦石英砂選前原礦SiO₂含量為78.39%、Al₂O₃含量為11.28%，進行水洗、分級脫泥后，SiO₂品位上升到86.36%，Al₂O₃含量降低至6.79%。擦洗是借助機械力和砂粒間的磨剝力來除去石英砂表面的薄膜鐵、粘結物及泥性雜質礦物和進一步擦碎未成單體的礦物集合體，主要有機械擦洗、棒磨擦洗和超聲波擦洗等方法。有人對四川江津SiO₂含量為85.40%、Fe₂O₃含量為0.63%的石英砂巖礦采用高強機械擦洗，取得了Fe₂O₃含量為0.16%、SiO₂含量為97.40%的擦洗提純精礦。

（3）礦(kuang)(kuang)(kuang)物(wu)(wu)分(fen)選(xuan)(xuan)(xuan)。磁(ci)選(xuan)(xuan)(xuan)和(he)浮(fu)選(xuan)(xuan)(xuan)是(shi)(shi)(shi)分(fen)離(li)石(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)(ying)砂與(yu)伴(ban)生脈石(shi)(shi)(shi)(shi)常(chang)用的(de)(de)(de)(de)工(gong)序。通(tong)過多(duo)段弱磁(ci)—強磁(ci)選(xuan)(xuan)(xuan)去(qu)除(chu)(chu)赤鐵礦(kuang)(kuang)(kuang)、褐鐵礦(kuang)(kuang)(kuang)、黃鐵礦(kuang)(kuang)(kuang)、鈦鐵礦(kuang)(kuang)(kuang)、黑(hei)云(yun)母等(deng)磁(ci)性(xing)雜(za)質(zhi)礦(kuang)(kuang)(kuang)物(wu)(wu)，也(ye)(ye)可除(chu)(chu)去(qu)帶有磁(ci)性(xing)礦(kuang)(kuang)(kuang)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)包(bao)裹體(ti)和(he)連生體(ti)。浮(fu)選(xuan)(xuan)(xuan)能有效除(chu)(chu)去(qu)石(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)(ying)砂中(zhong)的(de)(de)(de)(de)長(chang)(chang)石(shi)(shi)(shi)(shi)、云(yun)母等(deng)非磁(ci)性(xing)伴(ban)生雜(za)質(zhi)礦(kuang)(kuang)(kuang)物(wu)(wu)，是(shi)(shi)(shi)石(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)(ying)常(chang)規選(xuan)(xuan)(xuan)礦(kuang)(kuang)(kuang)中(zhong)重要的(de)(de)(de)(de)工(gong)藝，也(ye)(ye)是(shi)(shi)(shi)難把(ba)控的(de)(de)(de)(de)一道(dao)工(gong)序。長(chang)(chang)石(shi)(shi)(shi)(shi)和(he)云(yun)母等(deng)硅酸(suan)(suan)鹽礦(kuang)(kuang)(kuang)物(wu)(wu)是(shi)(shi)(shi)鋁(lv)雜(za)質(zhi)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要來源(yuan)，在酸(suan)(suan)和(he)堿中(zhong)的(de)(de)(de)(de)可溶性(xing)都很差；浮(fu)選(xuan)(xuan)(xuan)分(fen)離(li)若不完全(quan)，直接影響產品中(zhong)Al、Fe等(deng)雜(za)質(zhi)的(de)(de)(de)(de)含量。常(chang)見的(de)(de)(de)(de)石(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)(ying)、云(yun)母和(he)長(chang)(chang)石(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)浮(fu)選(xuan)(xuan)(xuan)流程如(ru)圖6所示，其中(zhong)云(yun)母等(deng)硅酸(suan)(suan)鹽與(yu)石(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)(ying)零電(dian)點差異較大，相對容易(yi)分(fen)離(li)。長(chang)(chang)石(shi)(shi)(shi)(shi)和(he)石(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)零電(dian)點非常(chang)相近，分(fen)離(li)困難，通(tong)常(chang)加入氫氟酸(suan)(suan)活化長(chang)(chang)石(shi)(shi)(shi)(shi)，并在pH=2-3左右時石(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)(ying)和(he)長(chang)(chang)石(shi)(shi)(shi)(shi)分(fen)離(li)效果較好；雖然也(ye)(ye)有使(shi)用硫酸(suan)(suan)代替氫氟酸(suan)(suan)，并采(cai)用陰陽離(li)子捕(bu)收劑浮(fu)選(xuan)(xuan)(xuan)長(chang)(chang)石(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)報道(dao)，但不適合高純石(shi)(shi)(shi)(shi)英(ying)(ying)(ying)砂的(de)(de)(de)(de)提純。

（4）深度提純(chun)。僅通過(guo)(guo)常規選礦方(fang)法不(bu)(bu)能去(qu)除(chu)包裹(guo)體(ti)(ti)(ti)及(ji)晶(jing)格(ge)(ge)中雜質(zhi)，不(bu)(bu)能得到(dao)高(gao)純(chun)石英(ying)(ying)砂(sha)。通過(guo)(guo)添加氯氣(qi)、HCl，在(zai)800-1600℃條件下(xia)高(gao)溫(wen)焙燒，包裹(guo)體(ti)(ti)(ti)受熱(re)急劇膨脹、破裂，使其中的雜質(zhi)暴(bao)露至(zhi)表(biao)面(mian)。在(zai)此(ci)過(guo)(guo)程中，雜質(zhi)伴隨(sui)石英(ying)(ying)晶(jing)體(ti)(ti)(ti)結構轉變(bian)過(guo)(guo)程遷移至(zhi)石英(ying)(ying)表(biao)面(mian)；或者(zhe)在(zai)高(gao)溫(wen)氣(qi)氛(fen)（如(ru)HCl）的作用下(xia)，與晶(jing)格(ge)(ge)中的雜質(zhi)發生(sheng)反(fan)應，使得雜質(zhi)轉移至(zhi)石英(ying)(ying)表(biao)面(mian)，然后通過(guo)(guo)化(hua)學浸(jin)出使雜質(zhi)脫除(chu)。

3、現(xian)行技術工(gong)藝

美國Unimin公司以Spruce Pine地區花崗偉晶巖為原料，通過化學提純去除Li、K、Na和Fe等雜質，生產雜質含量小于0.0008%，SiO₂含(han)量大于99.999%的超純(chun)石(shi)英(ying)砂，且實現產(chan)(chan)業(ye)化；并(bing)申請了(le)一項關于IO-TA-8的專利，但是由于技術壟斷封鎖，其具體生產(chan)(chan)工藝和參數無法獲取。目(mu)前，國際市場上(shang)僅有美(mei)國Uni-min公司生產(chan)(chan)的IO-TA-8產(chan)(chan)品(pin)為超純(chun)石(shi)英(ying)砂。

高純石英砂為雜質含量為0.0008%-0.005%，SiO₂含量(liang)為99.995%-99.999%的石(shi)(shi)英(ying)砂，依然是(shi)僅有幾個發(fa)達國(guo)(guo)家可(ke)以生(sheng)產(chan)(chan)，中(zhong)國(guo)(guo)僅有太平洋石(shi)(shi)英(ying)公司、凱達石(shi)(shi)英(ying)公司等為數不(bu)多(duo)的企(qi)(qi)業(ye)，且通過水晶(jing)為原(yuan)料生(sheng)產(chan)(chan)。由于技(ji)術封(feng)鎖，高(gao)純(chun)石(shi)(shi)英(ying)生(sheng)產(chan)(chan)廠家，尤其國(guo)(guo)外相關企(qi)(qi)業(ye)的技(ji)術和工藝細節報道非常少見。原(yuan)則上是(shi)通過煅燒-水淬-磨(mo)礦分級-擦(ca)洗-重選-磁選-浮選-氯(lv)化(hua)焙燒-化(hua)學(xue)酸浸聯合(he)工藝處理脈石(shi)(shi)英(ying)、偉晶(jing)花崗巖生(sheng)產(chan)(chan)高(gao)純(chun)石(shi)(shi)英(ying)。目前國(guo)(guo)內(nei)企(qi)(qi)業(ye)能(neng)生(sheng)產(chan)(chan)的高(gao)純(chun)石(shi)(shi)英(ying)砂主要是(shi)雜(za)質含量(liang)0.03%-0.005%，SiO2含量(liang)為99.97%-99.995%的中(zhong)低(di)檔高(gao)純(chun)石(shi)(shi)英(ying)砂。

有人對攀枝花地區某SiO₂含量98.97%、Fe2O3含量0.09%的石英巖，在實驗室中采用碎磨-分級-磁選-浮選-酸浸工藝進行提純，獲得SiO₂含量為99.99%、雜質Fe₂O₃含量為0.0003%的-80目高純石(shi)英砂。

對天然脈石英礦石用人工精選去雜、精洗，嚴格把控原料質量，使原料SiO₂含量大于99%、Al₂O₃含量小于0.009%、燒失量小于0.15%，且潔白無可見雜質，然后經過水洗-破碎-煅燒-水淬-細磨-強磁選-酸浸-水洗工藝，在實驗室制備出SiO₂含量大于99.99%的石英(ying)砂。

對云南某地石英砂巖采用加藥、擦洗-分級-脫泥-酸浸工藝提純，在原礦SiO₂含量98.78%，Fe₂O₃含量0.26%、Al₂O₃含量0.37%時，提純后SiO₂含量達到99.98%，雜質Fe₂O₃和Al₂O₃含(han)量分別為(wei)0.001%和0.02%，達到一般高純石英砂的要求。

蘇州中材非金屬礦工業設計研究院采用破碎-電選-超細粉碎-強磁選-微波處理-絡合處理-水洗工藝，處理SiO₂含量為99.5%-99.8%，雜質含量為0.5%-0.2%的江西上饒西坑石英礦，得到SiO₂含量大于99.98%，雜質Al₂O₃和Fe₂O₃的含量分別為0.004%、0.001%的低(di)級高純石英(ying)砂。

通過加入煅燒和水淬工序的新工藝（煅燒-水淬-粗碎-電選-超細粉碎-強磁選-微波處理-絡合處理-水洗工藝），處理SiO₂含量99.9%-99.5%，雜質含量0.5-0.9%的山東萊蕪脈石英，可得到SiO₂含量大于99.99%，Al₂O₃含量不超過0.002%，Fe₂O₃含量(liang)不超過0.001%的高純(chun)石英(ying)砂。

對一般工業用途的精制石英砂，盡可能選擇相對簡單的工藝流程可以降低選礦提純成本。推薦選用擦洗-脫泥-磁選工藝，即可滿足精砂的質量要求。對作為高科技用砂的高純和超純石英砂，則需要進一步采用浮選、酸浸、高溫（氣氛）焙燒等工藝對石英砂再次提純。高純和超純石英砂的質量要求一般為SiO₂含量大于99.99%, Fe₂O₃含量小于(yu)0.001%，其提純(chun)過程不僅要嚴(yan)格(ge)控制選別條件(jian)，而且對相應提純(chun)設備(bei)要求(qiu)也比較嚴(yan)格(ge)，以防止二次污染。

采用天然石英巖制備高純石英砂。原料首先經高壓水槍沖洗，挑選無可視雜質的石英塊料，經煅燒—水淬—粉碎分級—強磁選—浮選—水洗—高溫焙燒工藝，能使石英砂的雜質總量控制在0.001%以內，SiO₂含量(liang)大(da)于99.998%，但此(ci)研究僅為實(shi)驗室(shi)小型試驗結果(guo)。

采用SiO₂含量在90%以上、羥基含量在0.035%以上的石英礦石為原料，經人工水洗、脫泥、分揀，然后采用破碎—酸浸—細碎—電選—熱壓酸浸—浮選—高溫焙燒工藝，將羥基含量降低到0.0015%以下，制備出SiO₂含量大于99.99%的高純石英砂。有學者公布了一種制備高純石英砂的方法，通過粗碎—水洗—煅燒—水淬—磨礦—分級—強磁選—酸洗—（加硝酸鈉、氯化銨）焙燒浮選—磁選—氯化焙燒的復雜工藝，能夠將石英砂產品雜質總量控制在0.001%以內，SiO₂含量達到99.999%以(yi)上。采用(yong)煅燒—水淬—粉碎(sui)—分(fen)級—熱壓酸洗—堿(jian)洗—浮選—氯化處理—高溫(wen)焙燒—磁選聯(lian)合工藝能(neng)將純度99.95%的石(shi)英砂純度提高到99.99%以(yi)上，雜質總(zong)量控(kong)制在0.0016%以(yi)內。

安徽工業大學和安徽天賦生物科技有限公司28聯合開發了一種碎磨—（加NaCl）高溫煅燒—淬火—浮選—酸浸—絡合處理—水洗聯合工藝，處理SiO₂含量99%左右的上等脈石英，得到SiO₃純度高于99.99%，雜質總含(han)量(liang)0.001%左右的石英砂。

4、面臨的(de)問題及未來(lai)研究方向

我國高(gao)純石英(ying)砂(sha)研究(jiu)工(gong)作(zuo)起步較晚,，90年代才開(kai)始(shi)有學者研究(jiu)，也(ye)取得了一定的(de)成就，能夠加工(gong)生(sheng)產部(bu)分中低檔高(gao)純石英(ying)砂(sha)；而(er)國外美、日、歐(ou)等西(xi)方發達國家(jia)早(zao)(zao)在70年代就開(kai)始(shi)研究(jiu)，研發體系(xi)完備(bei)，技(ji)術成熟。早(zao)(zao)早(zao)(zao)壟斷市場(chang)(chang)，且(qie)進行嚴格技(ji)術封鎖、出口限制。隨(sui)著高(gao)純石英(ying)砂(sha)市場(chang)(chang)需求的(de)增加，突破高(gao)純石英(ying)砂(sha)加工(gong)技(ji)術困境(jing)也(ye)愈(yu)發重要。目前(qian)，高(gao)純石英(ying)砂(sha)生(sheng)產急需解決以下幾個問(wen)題。

（1）加強地(di)(di)質勘(kan)查工(gong)作，建(jian)立針對高(gao)(gao)純石(shi)(shi)英砂的(de)(de)勘(kan)探標準(zhun)。我國(guo)至今尚未(wei)發(fa)現大規模優良(liang)石(shi)(shi)英礦(kuang)床，高(gao)(gao)品質的(de)(de)脈石(shi)(shi)英、石(shi)(shi)英巖(yan)多為伴生(sheng)礦(kuang)床，且(qie)儲量(liang)少，原礦(kuang)性質不穩定，開采后憑(ping)借手(shou)工(gong)挑(tiao)選，很難實現原料的(de)(de)標準(zhun)化供應。而偉(wei)(wei)(wei)(wei)晶巖(yan)礦(kuang)物(wu)雖然(ran)石(shi)(shi)英的(de)(de)含量(liang)低，但結(jie)晶粒度粗(cu)，且(qie)一般為超大型礦(kuang)床，值得重視(shi)。我國(guo)新疆阿爾泰(tai)地(di)(di)區在長達413km、寬60km的(de)(de)變(bian)質巖(yan)區帶(dai)內，有(you)10多個偉(wei)(wei)(wei)(wei)晶巖(yan)密集區，雖然(ran)石(shi)(shi)英含量(liang)僅20%左(zuo)右(you)，但結(jie)晶完(wan)好。已有(you)學者正(zheng)在研究阿爾泰(tai)地(di)(di)區偉(wei)(wei)(wei)(wei)晶巖(yan)與美國(guo)Spruce Pine地(di)(di)區用于生(sheng)產(chan)高(gao)(gao)純石(shi)(shi)英的(de)(de)花崗(gang)偉(wei)(wei)(wei)(wei)晶巖(yan)特(te)點，進而評價阿爾泰(tai)地(di)(di)區偉(wei)(wei)(wei)(wei)晶巖(yan)生(sheng)產(chan)高(gao)(gao)純石(shi)(shi)英砂的(de)(de)資源前景。

（2）缺乏高純石英的原料選擇與評價標準。以往研究認為SiO₂含量99%左右的石英原料就能夠加工制備高純石英砂，并投人大量的人力、物力和時間，結果依然達不到高純石英砂的要求。高純石英砂原料不能僅以SiO₂含(han)量為(wei)標準，需要結合石英的嵌布特(te)(te)性(xing)、結晶(jing)特(te)(te)性(xing)、包裹體含(han)量及大小、雜質(zhi)(zhi)離子的分布等性(xing)質(zhi)(zhi)綜合考慮。

（3）基礎研究工作有待提高。一般的高純石英雜質總含量較高不超過0.05%，雜質含量很少。工藝礦物學的基礎研究不僅需要研究石英的賦存狀態，石英與脈石的嵌布特征，石英中微量雜質的附存形式尤其重要，且技術難度高，包括雜質的成分、礦物組成、包裹體形狀大小、類質同象等。此外，有關包裏體的破裂，及其中雜質的浸出、脫除機理，以及加工過程中晶格雜質位點（Al³⁺、Fe³⁺、P⁵⁺等）的晶格轉化、Li⁺、K⁺、Na⁺雜質向石(shi)英表面置換遷移的過程(cheng)和行為(wei)等微觀基(ji)礎研究(jiu)幾乎(hu)未見報道(dao)。

（4）生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)(yi)不(bu)成(cheng)熟，設(she)備(bei)落后。現階段國內高(gao)純石英(ying)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)廠家(jia)規模均不(bu)大，類(lei)(lei)似作坊(fang)式生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)，沒(mei)有(you)典型(xing)成(cheng)熟的(de)(de)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)(yi)。高(gao)純石英(ying)砂(sha)的(de)(de)產(chan)品(pin)要(yao)(yao)求決定了(le)其(qi)生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)過(guo)程對生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)(yi)和設(she)備(bei)要(yao)(yao)求高(gao)，是一個(ge)精細加工(gong)行業(ye)，陶瓷球攪(jiao)拌磨、高(gao)壓電脈沖破碎、新型(xing)磁選(xuan)機以及電感耦合(he)等離子體(ti)發(fa)射光(guang)譜法（ICP-OES）等設(she)備(bei)應該投入(ru)研(yan)究。生(sheng)(sheng)(sheng)產(chan)工(gong)藝(yi)(yi)不(bu)能(neng)簡單套用或者照(zhao)搬傳統(tong)選(xuan)礦工(gong)藝(yi)(yi)，通常酸(suan)(suan)浸(jin)被認為(wei)是高(gao)純石英(ying)砂(sha)較為(wei)重要(yao)(yao)的(de)(de)工(gong)序，其(qi)實長石、云母等硅酸(suan)(suan)鹽雜質(zhi)的(de)(de)酸(suan)(suan)溶性也(ye)很差，而(er)浮選(xuan)才(cai)是這類(lei)(lei)雜質(zhi)礦物的(de)(de)有(you)效脫除(chu)(chu)方式，因此浮選(xuan)的(de)(de)要(yao)(yao)求需要(yao)(yao)有(you)別(bie)于傳統(tong)選(xuan)礦，需開發(fa)選(xuan)擇性強的(de)(de)硅酸(suan)(suan)鹽捕收劑，并探究適宜(yi)的(de)(de)藥劑制度，以除(chu)(chu)盡雜質(zhi)礦物，包括(kuo)連生(sheng)(sheng)(sheng)體(ti)。

（5）急(ji)需制定高純(chun)(chun)石(shi)英(ying)產(chan)(chan)品(pin)的(de)質量(liang)標(biao)準(zhun)。目前國內(nei)還沒(mei)有(you)(you)統一的(de)高純(chun)(chun)石(shi)英(ying)砂(sha)(sha)產(chan)(chan)品(pin)質量(liang)標(biao)準(zhun)和(he)類(lei)別(bie)，甚至(zhi)高純(chun)(chun)石(shi)英(ying)砂(sha)(sha)的(de)概念也沒(mei)有(you)(you)比較統一的(de)說法。沒(mei)有(you)(you)明確(que)的(de)產(chan)(chan)品(pin)生產(chan)(chan)目標(biao)，對高純(chun)(chun)石(shi)英(ying)砂(sha)(sha)的(de)加工技術研究、生產(chan)(chan)和(he)銷售(shou)是非(fei)常不利的(de)。因此，非(fei)常有(you)(you)必要建(jian)立(li)一套完善的(de)高純(chun)(chun)石(shi)英(ying)產(chan)(chan)品(pin)質量(liang)標(biao)準(zhun)。

5、總結

高(gao)(gao)(gao)(gao)純(chun)石英(ying)已成為新能源(yuan)、光導(dao)纖維(wei)、激光、信息技術(shu)、航空航天、微電子(zi)等(deng)高(gao)(gao)(gao)(gao)技術(shu)領域不可替代的(de)(de)(de)關鍵(jian)原材料。隨著中國制造2025的(de)(de)(de)不斷(duan)推進，突(tu)破高(gao)(gao)(gao)(gao)純(chun)石英(ying)砂(sha)加工技術(shu)困境也愈發(fa)重要。本研究(jiu)系統介(jie)紹了(le)高(gao)(gao)(gao)(gao)純(chun)石英(ying)砂(sha)的(de)(de)(de)資源(yuan)特點，著重分析(xi)了(le)石英(ying)礦(kuang)中雜質存在(zai)形式，及對應的(de)(de)(de)加工技術(shu)。在(zai)總結(jie)現行工藝(yi)的(de)(de)(de)基(ji)礎上(shang)，闡述(shu)了(le)高(gao)(gao)(gao)(gao)純(chun)石英(ying)砂(sha)加工行業目前存在(zai)的(de)(de)(de)問(wen)題及未來的(de)(de)(de)發(fa)展建議，可以(yi)為高(gao)(gao)(gao)(gao)純(chun)石英(ying)砂(sha)的(de)(de)(de)研究(jiu)和生(sheng)產提供幫助。