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中國粉體網(wǎng)：大家好！我是中國粉體網(wǎng)的編輯記者安振華。“2019全國石英大會(huì)”在徐州隆重召開期間，我們邀請(qǐng)了來自科研院所、高等院校的多位專家學(xué)者走進(jìn)我們的對(duì)話欄目，并就石英的深度提純技術(shù)、高純石英行業(yè)如何做強(qiáng)、粉體技術(shù)工藝的重要性以及產(chǎn)學(xué)研協(xié)作等一系列議題發(fā)表他們的看法和建議，同時(shí)也介紹他們近期的一些科研成果�，F(xiàn)在接受我們文字采訪的是來自西南科技大學(xué)的孫紅娟教授。孫老師您好！

孫紅娟教授（以下簡(jiǎn)稱“孫教授”）：你好。

孫紅娟教授出席2019全國石英大會(huì)

中國粉體網(wǎng)：高純石英原料有什么特點(diǎn)？有哪些關(guān)鍵的評(píng)價(jià)指標(biāo)？通過您的研究，您認(rèn)為哪種石英原料比較適合提純？

孫教授：首先，要科學(xué)地認(rèn)識(shí)“高純石英原料”，這一概念是伴隨著高新產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步而出現(xiàn)的。隨著航天、半導(dǎo)體集成電路、光纖通訊和太陽能光伏等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，相關(guān)高新技術(shù)產(chǎn)品對(duì)石英砂的化學(xué)純度要求越來越高，逐漸出現(xiàn)專門用于制造這些產(chǎn)品的高純石英砂，生產(chǎn)高純石英砂的原料則主要來源于純凈的石英礦物資源。然而，傳統(tǒng)的玻璃用硅質(zhì)原料、鑄造型砂用石英砂原料等雜質(zhì)元素含量較高的石英礦物資源不具備生產(chǎn)高純石英砂的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)可行性，應(yīng)將“高純石英原料”與“玻璃硅質(zhì)原料”區(qū)別開來，高純石英原料更符合現(xiàn)代高新產(chǎn)業(yè)對(duì)原料極高化學(xué)純度的特征要求。

因此，“高純石英原料”要區(qū)別于以往用于低端產(chǎn)業(yè)的劣質(zhì)石英資源，而是指那些能被現(xiàn)有成熟的礦物加工技術(shù)將其SiO₂純度提純至99.9%及以上的天然石英礦物資源，提純后的高純石英砂滿足現(xiàn)代高新產(chǎn)業(yè)使用效能的嚴(yán)格要求。高純石英原料對(duì)地質(zhì)成礦條件的要求十分嚴(yán)苛，依據(jù)統(tǒng)計(jì)石英原料的化學(xué)分級(jí)及其市場(chǎng)價(jià)格分析結(jié)果，滿足這一條件資源量的僅占石英資源總儲(chǔ)量的1%。所以，高純石英原料除了礦物加工目標(biāo)瞄準(zhǔn)為高新技術(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用特點(diǎn)外，本身也體現(xiàn)出儲(chǔ)量稀缺的資源屬性。

談到關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，有必要指出的是，以往判斷石英礦物資源是否具備高純石英潛力主要基于化學(xué)純度（SiO₂和常見雜質(zhì)元素含量）和氣液包裹體的含量。毋庸置疑，化學(xué)純度作為一個(gè)直觀的重要指標(biāo)來評(píng)價(jià)石英原料的優(yōu)劣，這樣的評(píng)價(jià)方法雖然可以簡(jiǎn)單快速地判別熔煉水晶的品質(zhì)，但在處理其他復(fù)雜的替代原料時(shí)，具有明顯的局限性，即缺乏對(duì)原料性質(zhì)的全面了解，雜質(zhì)元素的賦存狀態(tài)并不明晰，不利于指導(dǎo)石英資源的加工利用。

為了解決高純石英原料的選擇與評(píng)價(jià)問題，我們課題組前期進(jìn)行了大量室內(nèi)和野外工作，提出一套科學(xué)可行的評(píng)價(jià)方法，具體涉及到化學(xué)成分、嵌布粒度、脈石礦物、包裹體和晶格雜質(zhì)5個(gè)關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，這些因素之間的關(guān)系常常交叉耦合，構(gòu)成了高純石英原料的評(píng)價(jià)因子。依據(jù)我們實(shí)驗(yàn)室的研究成果，我們認(rèn)為，當(dāng)石英原料在以上5個(gè)關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)中有3個(gè)及以上指標(biāo)達(dá)到a級(jí)時(shí)（表1），可以推薦為高純石英原料。

比較適合提純的石英原料：最好的是：一、二級(jí)天然水晶。從高純石英原料產(chǎn)出的地質(zhì)條件來看，相較于外生礦床，最好產(chǎn)出于穩(wěn)定地質(zhì)條件的內(nèi)生礦床，特別是巖漿高度結(jié)晶分異的花崗偉晶巖的石英脈中，這類高純石英原料一般具有脈石礦物少，嵌布粒度大，易解離，和低晶格雜質(zhì)含量的優(yōu)勢(shì)，這類花崗偉晶巖型石英原料是最有前景的水晶替代原料。

中國粉體網(wǎng)：各種石英原料的提純工藝有何不同？主要依據(jù)是什么？

孫教授：石英提純工藝流程是基于石英原料的工藝礦物學(xué)研究和可選性試驗(yàn)結(jié)果而設(shè)計(jì)制定的。初級(jí)加工工藝取決于脈石礦物種類和嵌布粒度，比如礦石中含較多長(zhǎng)石、云母，經(jīng)破碎粉磨后充分解離后，采用反浮選或高梯度磁選等工藝去除脈石礦物；而深度提純工藝主要針對(duì)石英內(nèi)部以類質(zhì)同象形式存在的晶格雜質(zhì)，必須采用氫氟酸進(jìn)行酸洗，甚至氯化焙燒等才能去除。因此，具體的提純工藝應(yīng)視石英原料品質(zhì)而定。

需要注意的是，高純石英砂的生產(chǎn)是一個(gè)系統(tǒng)工程，它的成功絕不只是依賴于高純石英制備技術(shù)的改進(jìn)而已，更重要的是高純石英原料產(chǎn)出地質(zhì)條件的研究程度，還有開采程序、制備工藝以及檢測(cè)與質(zhì)量控制等其他因素的影響。

目前，工業(yè)上成熟應(yīng)用的石英提純傳統(tǒng)工藝有分選、擦洗、煅燒-水淬、磨礦、篩分、磁選、重選、浮選、酸浸、微生物浸出、高溫脫氣等，深度提純工藝有氯化焙燒、輻照色選、超導(dǎo)磁選、高溫真空等等。

（1）浮選是利用礦物表面性質(zhì)差異，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)石、云母等硅酸鹽礦物與石英分離的有效的物理選礦方法。

（2）酸浸工藝主要目的是在酸溶液中除去可溶的鐵質(zhì)礦物，影響酸浸提純效果的因素有石英砂粒度、溫度、時(shí)間、酸種類、酸濃度、固液比等，提高溫度和酸液濃度、降低石英顆粒的半徑均可提高Al的浸出率和浸出速率。單種酸的提純效果有限，而混合酸具協(xié)同效應(yīng)，可大幅提高Fe、K等雜質(zhì)元素去除率。

常見的無機(jī)酸有HF、H₂SO₄、HCl、HNO₃、H₃PO₄、HClO₄等，一般是兩種或兩種以上按一定比例混合使用。

（3）微生物浸出是指利用微生物浸除石英砂顆粒表面的薄膜鐵或浸染鐵，這是新近發(fā)展起來的一種除鐵技術(shù)。

（4）磁選主要用于除去石英砂中的磁性礦物，如可以通過強(qiáng)磁選機(jī)除去赤鐵礦、褐鐵礦、黑云母等弱磁性礦物，而強(qiáng)磁性礦物如磁鐵礦則可以通過弱磁選機(jī)除去。

（5）擦洗脫泥提純，擦洗是指借助機(jī)械力和砂粒間的磨剝力來除去石英砂表面的薄膜鐵、粘結(jié)及泥性雜質(zhì)礦物和進(jìn)一步擦碎未成單體的礦物集合體，再經(jīng)分級(jí)作業(yè)達(dá)到進(jìn)一步提純石英砂的效果。目前主要有棒磨擦洗和機(jī)械擦洗。影響擦洗效果的主要因素為擦洗機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及配置形式；次要因素為擦洗時(shí)間、擦洗濃度（擦洗濃度一般以50%-60%為宜）。

（6）氯化焙燒又稱氯化脫氣，利用顆粒表面與內(nèi)部在高濃度氯氣作用下產(chǎn)生的化學(xué)位梯度，促使氣液包裹體擴(kuò)散出去。石英顆粒表層的堿金屬、堿土金屬和殘余的包裹體等雜質(zhì)在高溫下與氯氣反應(yīng)生成氣態(tài)氯化物，相較于其他金屬離子，Al和B的反應(yīng)活性較低，高溫氣流將這些雜質(zhì)元素的氯化物帶走，從而達(dá)到深度提純的目的。

氯化焙燒是一種深度提純工藝，成本較高，處理能力有限，具有一定危險(xiǎn)性。當(dāng)前，只有美國尤尼明公司實(shí)現(xiàn)該工藝的工業(yè)應(yīng)用，安徽蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)研究院和東海太平洋公司進(jìn)行了嘗試，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)取得部分成功，但尚未見應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。該工藝對(duì)進(jìn)料要求較高，一般是經(jīng)過傳統(tǒng)工藝提純后，SiO₂純度達(dá)到99.99%，雜質(zhì)總量小于100×10^-6的石英砂才能滿足進(jìn)料要求，起氯化作用的氣體主要是Cl₂，可單獨(dú)使用，也可與HCl混合煅燒，而高純N2和Ar的混入可降低廢氣處理壓力。氯化焙燒的裝置多為自行設(shè)計(jì)，還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，仍處于不斷發(fā)展完善過程中。

（7）其他工藝

（a）高溫真空法。該工藝指溫度在1000℃以上，0.01Mpa的真空狀態(tài)下，氣液包裹體內(nèi)外形成巨大的壓力差使其發(fā)生爆裂，同時(shí)，高溫真空狀態(tài)有利于脫去石英砂中的羥基。

（b）高溫?fù)诫s提純法。采用雜質(zhì)總含量為41.94×10^-6的石英粉，先后摻入NaNO₃、Al(NO₃)₃·9H₂O，在900℃下煅燒，獲得石英精砂雜質(zhì)總量小于25×10^-6，達(dá)到IOTA-Std標(biāo)準(zhǔn)。在石英砂中添加NaCl進(jìn)行高溫煅燒，用鹽酸和氫氟酸的混合酸進(jìn)行酸浸，對(duì)鐵、鈦元素的去除效果良好。

（c）煅燒-酸淬法。采用“水洗→酸浸→焙燒→水淬→二次酸浸”的工藝，將石英進(jìn)行高溫煅燒，待其晶相轉(zhuǎn)變?yōu)轺[石英后，立即置于混酸溶液中，雜質(zhì)反應(yīng)為水溶性的金屬鹽，水洗后得到石英精砂。

（d）微波爆裂法。是一種去除高純石英砂生產(chǎn)中氣液包裹體雜質(zhì)的方法，由于石英介電常數(shù)低，幾乎不被加熱，而其中的氣液包裹體和雜質(zhì)可在短時(shí)間升溫到1000℃以上，產(chǎn)生的熱應(yīng)力足以將氣液包裹體或雜質(zhì)界面拉裂形成裂紋，在外加載荷的作用下，實(shí)現(xiàn)破壞包裹體與剝離雜質(zhì)的目的。

（e）超聲波分散提純法。由于超聲波對(duì)液體傳播介質(zhì)產(chǎn)生空穴效應(yīng)，巨大的壓力將對(duì)液體中固體顆粒進(jìn)行猛烈沖擊，石英顆粒表面的雜質(zhì)迅速脫落，達(dá)到提純的目的。

孫紅娟教授在2019全國石英大會(huì)上演講

中國粉體網(wǎng)：氯化物焙燒提純工藝的原理和優(yōu)勢(shì)？以及影響提純效果的因素有哪些？

孫教授：在談這個(gè)話題前，我要強(qiáng)調(diào)如果高純石英原料品質(zhì)不佳，即便窮極當(dāng)前先進(jìn)礦物加工技術(shù)，也難以在可接受的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保成本下獲得理想的高純石英砂產(chǎn)品。當(dāng)前研究和生產(chǎn)的難點(diǎn)是去除石英晶格內(nèi)以類質(zhì)同象形式均勻分散的雜質(zhì)元素，這一項(xiàng)目是限制高純石英原料可加工潛力的關(guān)鍵指標(biāo)。盡量?jī)?yōu)先選擇低晶格雜質(zhì)和包裹體含量的高純石英原料進(jìn)行加工。

氯化焙燒又稱氯化脫氣，利用顆粒表面與內(nèi)部在高濃度氯化劑作用下產(chǎn)生的化學(xué)位梯度，促使氣液包裹體擴(kuò)散出去。氯化焙燒優(yōu)勢(shì)在于可以去除部分石英晶格雜質(zhì)，氯化劑的選擇最為關(guān)鍵，一般采用高純氯氣或氯化氫進(jìn)行焙燒，焙燒溫度和時(shí)長(zhǎng)對(duì)提純效果也有影響。

中國粉體網(wǎng)：硅石尾礦（渣）的綜合利用非常有意義，國內(nèi)目前硅石尾礦綜合利用的現(xiàn)狀怎樣？另外，尾渣加工所需要的成本的大概情況？

孫教授：硅石尾礦的年排放量上千萬噸，資源化利用是保持綠水青山的必然之路。硅石尾礦的綜合利用途徑因地制宜，低品質(zhì)尾礦可直接用作建筑石料和建材制品，雜質(zhì)含量不高的石英尾礦尾砂也可用作玻璃、陶瓷、型砂或耐火材料用石英原料，雜質(zhì)含量高的可用作色石渣原料和建筑用集料，顆粒較粗的石英尾礦可通過色選進(jìn)行提純和分級(jí)利用，顆粒細(xì)的可用于化工生產(chǎn)提取SiO₂組分或用于水泥生產(chǎn)原料。一般說來。通過對(duì)硅石尾礦的綜合利用評(píng)價(jià)，可望實(shí)現(xiàn)其整體和全組分利用。具體的尾渣的加工成本可隨產(chǎn)品的加工類型和市場(chǎng)變化而發(fā)生波動(dòng)，一般從10多元至數(shù)百元不等，但產(chǎn)品的附加值也可達(dá)到數(shù)十至數(shù)百元。

中國粉體網(wǎng)：硅質(zhì)材料的發(fā)展趨勢(shì)？整個(gè)石英產(chǎn)業(yè)鏈要向更高層次、更高質(zhì)量方向上發(fā)展，您認(rèn)為，最缺乏的是什么？

孫教授：硅質(zhì)材料的加工生產(chǎn)涉及到多個(gè)的工業(yè)體系，其發(fā)展趨勢(shì)與我們國家整體的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的緊密相關(guān)，改革開放40年來，硅質(zhì)材料的加工也經(jīng)歷了從中國制造到中國智造的跨越。從早期依托原料優(yōu)勢(shì)，直接出售礦產(chǎn)品和低水平代加工，變革至以科技創(chuàng)新為動(dòng)力，瞄準(zhǔn)高端設(shè)備制造的石英材料深加工產(chǎn)業(yè)鏈。

不過，我們也應(yīng)該看到，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈最關(guān)鍵的原料受到“卡脖子”威脅，下游高端產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)自主化率不足，要向更高層次和更高質(zhì)量上發(fā)展，還面臨的諸多艱巨的挑戰(zhàn)。對(duì)于關(guān)鍵原料自主化，最缺乏的是系統(tǒng)的礦物加工工程思想。

高純石英砂作為現(xiàn)代國防、信息和能源等高新產(chǎn)業(yè)必須的關(guān)鍵戰(zhàn)略礦物資源，目前嚴(yán)重依賴進(jìn)口美國尤尼明公司產(chǎn)品的局面亟待改變，優(yōu)質(zhì)高純石英砂的生產(chǎn)必須要實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自主。根據(jù)對(duì)尤尼明公司高純石英砂生產(chǎn)體系和我國當(dāng)前高純石英工業(yè)現(xiàn)狀的分析，高純石英原料的穩(wěn)定供應(yīng)的關(guān)鍵是尋求優(yōu)質(zhì)高純石英礦產(chǎn)資源，且進(jìn)行系統(tǒng)地勘查評(píng)價(jià)和科學(xué)梯度開發(fā)。高純石英礦產(chǎn)資源必須在充分勘查和咨詢后，由政府部門進(jìn)行規(guī)劃和合理配分，選擇有實(shí)力的企業(yè)進(jìn)行科學(xué)開發(fā)，這一系統(tǒng)工程要有專業(yè)地質(zhì)單位、科研部門、選礦企業(yè)和質(zhì)量監(jiān)督等多方合作推進(jìn)。當(dāng)務(wù)之急是依據(jù)相關(guān)高純石英原料的研究成果，盡快制定適用于指導(dǎo)地質(zhì)單位進(jìn)行高純石英礦產(chǎn)資源勘查工作的《高純石英原料地質(zhì)勘查規(guī)范》。

為國家緊缺戰(zhàn)略礦物資源提供智慧支持，這是我們礦業(yè)工作者的共同的時(shí)代使命和事業(yè)擔(dān)當(dāng)，期待共同改變高純石英生產(chǎn)加工現(xiàn)狀，早日實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵生產(chǎn)原料的充分自給。

附：孫紅娟教授簡(jiǎn)介

孫紅娟，博士，教授、博導(dǎo)，中國地質(zhì)學(xué)會(huì)礦物學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員，中國礦物復(fù)合材料專業(yè)委員會(huì)委員，中國硅酸鹽學(xué)會(huì)非金屬礦分會(huì)理事，中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會(huì)礦物材料專業(yè)委員會(huì)委員，四川省納米協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)。四川省非金屬礦粉體改性與高質(zhì)化利用技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室主任。從事固體廢物資源化、礦物晶體化學(xué)、礦物材料學(xué)理論及應(yīng)用研究。先后主持或主研國家自然科學(xué)基金5項(xiàng)、國家重點(diǎn)專項(xiàng)2項(xiàng)、省部級(jí)項(xiàng)目6項(xiàng)，國家及部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金3項(xiàng)；企業(yè)合作項(xiàng)目25項(xiàng)。獲四川省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)2項(xiàng)（排名第1和2）；授權(quán)發(fā)明專利14項(xiàng)；在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物發(fā)表論文200余篇， SCI、EI檢索70余篇；出版專著1部。