中國(guó)粉體網(wǎng)訊  隨著我國(guó)光伏和半導(dǎo)體等行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)高純石英砂的需求量越來(lái)越高。然而，我國(guó)4N8級(jí)高純石英砂原礦和產(chǎn)品嚴(yán)重依賴進(jìn)口，存在“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)石英資源的高效提純已成為行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

石英砂除雜工藝是將原料石英砂，通過(guò)水洗分級(jí)、擦洗脫泥、磁選、色選、浮選、酸洗、氯化焙燒等方法聯(lián)合作業(yè)，去除石英砂中的礦物雜質(zhì)，獲得粒度和雜質(zhì)含量均符合要求的高純石英砂。其中氯化焙燒是高純石英砂提純工藝中最為重要的一步。

什么是氯化提純？

氯化焙燒是礦物加工常用的提純方法，即在特定的溫度和氣氛下，通過(guò)氯化劑將礦物中的目標(biāo)成分轉(zhuǎn)化為氣相或凝聚相的氯化物，從而使其脫離礦物體系。

根據(jù)焙燒溫度的差異，氯化焙燒可分為中溫氯化焙燒、高溫氯化焙燒和氯化離析3種類(lèi)型。中溫氯化焙燒生成的氯化物為凝聚相，仍保留在焙砂中，需要通過(guò)浸出等使其從礦物體系脫除，因此也稱為氯化焙燒-浸出法。高溫氯化焙燒生成的氯化物呈氣態(tài)，焙燒過(guò)程中直接從礦物中揮發(fā)脫除，因此也稱為高溫氯化揮發(fā)法。氯化-離析法則是在高溫氯化焙燒基礎(chǔ)上加入還原劑，將金屬雜質(zhì)還原為金屬單質(zhì)的過(guò)程。

常用的氯化劑包括固體（如NaCl、KCl、CaCl、NH₄Cl）和氣體（如HCl、Cl₂），工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程為保證生產(chǎn)的連續(xù)性、穩(wěn)定性和安全性，一般采用HCl氣體做氯化劑。美國(guó)尤尼明公司率先在高純石英砂提純中實(shí)現(xiàn)氯化焙燒工業(yè)應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)高純石英砂氯化提純基礎(chǔ)理論研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)取得長(zhǎng)足進(jìn)展，相關(guān)企業(yè)已陸續(xù)掌握氯化提純工藝，實(shí)現(xiàn)了坩堝用外層砂和中層砂的生產(chǎn)。

去除雜質(zhì)及原理

石英砂中的主要雜質(zhì)元素為Al、Ca、Fe、Na、K、Li、Mg、Cr、Ni、B、Mn、Cu、Ti等。根據(jù)其賦存形態(tài)可分為脈石礦物雜質(zhì)、包裹體雜質(zhì)和晶體結(jié)構(gòu)雜質(zhì)。

晶體結(jié)構(gòu)雜質(zhì)氯化反應(yīng)過(guò)程

石英砂氯化焙燒前后雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

雜質(zhì)元素在石英砂中主要以氧化物或硅酸鹽形態(tài)存在，其氯化反應(yīng)方程見(jiàn)式（1）-式（4）。吉布斯自由能變化是衡量反應(yīng)過(guò)程的方向和限度的重要依據(jù)。

MeO+Cl₂→MeCl₂+O₂                       （1）

MeSiO₃+Cl₂→MeCl₂+SiO₂+O₂                  （2）

MeO+HCl→MeCl₂+H₂O                      （3）

MeSiO₃+HCl→MeCl₂+SiO₂+H₂O                 （4）

PbO、CuO、CdO、NiO等在標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下可以被氯氣氯化，但Fe₂O₃、Al₂O₃、SiO₂、TiO₂在標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下難以被氯化。

純度及應(yīng)用

氯化焙燒可以將石英砂穩(wěn)定提純到4N-4N8（99.99%-99.998%）的純度范疇。尤其在光伏石英坩堝、半導(dǎo)體等高端石英砂生產(chǎn)過(guò)程中廣泛應(yīng)用。成都理工大學(xué)汪靈教授指出，通常來(lái)講，光伏石英坩堝用內(nèi)層砂的代表原料為美國(guó)北卡羅來(lái)納州Spruce Pine地區(qū)的花崗偉晶巖石英，其特點(diǎn)是w(SiO₂)≥99.998%（4N8）且質(zhì)量穩(wěn)定。中層砂代表原料為印度等國(guó)進(jìn)口的脈石英A級(jí)礦，特點(diǎn)是w(SiO₂)≥99.998%（4N8）。外層砂主要代表原料為印度等國(guó)進(jìn)口的質(zhì)量和穩(wěn)定性稍次的脈石英A級(jí)或接近A級(jí)的B級(jí)礦，特點(diǎn)是w(SiO₂)≥99.995%（4N5）。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 32649-2016光伏用高純石英砂》規(guī)定了光伏用高純石英砂的粒徑應(yīng)在70μm~350μm范圍內(nèi)，且在該粒徑范圍的累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)大于或等于90%。粒徑小于100μm或大于300μm的累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)均應(yīng)小于1%；光伏用高純石英砂中二氧化硅含量應(yīng)大于或等于99.99%，灼燒失量應(yīng)小于或等于0.01%；光伏用高純石英砂雜質(zhì)元素總含量應(yīng)小于或等于25μg/g，其中鉀、鈉含量總和小于2.5μg/g。

氯化焙燒技術(shù)研究進(jìn)展

潘俊良等采用Cl₂為氯化劑對(duì)石英砂樣品進(jìn)行氯化焙燒，在氣體流速600ml/min、焙燒溫度900℃、焙燒時(shí)間60min條件下，樣品雜質(zhì)含量由29.4X10^-6降至23.3X10^-6，且焙燒過(guò)程對(duì)Al、堿土金屬和過(guò)渡金屬元素的去除效果較好，但是對(duì)堿金屬元素去除效果不明顯，所得石英砂含量達(dá)到4N8高純石英的標(biāo)準(zhǔn)。

茆令文等人采用用國(guó)內(nèi)某脈石英礦通過(guò)“煅燒－水淬－水力分級(jí)－磁選-浮選-酸浸泡-超聲清洗－高溫氯化深度提純及煅燒脫氣”等一系列選礦提純手段將樣品的二氧化硅含量提高到4N7左右。

梁曉亮等采用KCl、NaCl、CaCl₂作氯化劑，通過(guò)微波加熱對(duì)石英砂進(jìn)行氯化焙燒。結(jié)果表明，KCl對(duì)雜質(zhì)脫除效果最佳。石英砂與KCl混合后在900℃微波焙燒4h，之后采用鹽酸、硫酸和硝酸組成的混合酸進(jìn)行200℃、4h的熱壓酸浸，所得石英砂雜質(zhì)脫除率達(dá)82.20%，產(chǎn)品符合4N高純石英砂標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

劉慧陽(yáng)等.高純石英砂氯化焙燒技術(shù)研究進(jìn)展

張海啟等.高純石英中雜質(zhì)特征及深度化學(xué)提純技術(shù)研究進(jìn)展

潘俊良等.氯化焙燒法制備4N8標(biāo)準(zhǔn)級(jí)高純石英試驗(yàn)研究

梁曉亮，侯清麟等.微波氯化Nigeria硅礦制備4N高純石英砂的工藝研究

茆令文等.脈石英替代水晶生產(chǎn)高純石英砂試驗(yàn)研究

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 32649-2016光伏用高純石英砂》

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/九思） 

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