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      技術進展
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      高純石英深度提純技術進展
      來源:中國粉體技術網    更新時間:2022-11-29 15:21:37    瀏覽次數:
       
        不同石英原料的礦石性質差異較大,提純潛力受礦石的化學成分、嵌布粒度特征、脈石礦物、包裹體和晶格雜質等性質的影響。高純石英產品的加工過程具有原礦性質影響大、產品要求純度高和易受污染的特點。
        
        高純石英的提純方法主要分為物理法和化學法。不同的共伴生礦物采用不同的分選技術,物理法提純主要有色選、擦洗、重選、磁選和浮選等工藝,可以去除幾乎所有以單體存在的礦物雜質,除雜后雜質元素的含量處于較低水平。此時,氣液包裹體和晶格內部類質同象雜質是主要的雜質來源,而這些雜質是制約高純石英產品制備的關鍵性因素。物理法提純無法去除這些雜質,需要進行化學法深度提純。
        
        化學深度提純主要包括酸(堿、鹽)處理法和熱處理法,酸(堿、鹽)處理主要去除以包裹體形式存在石英砂顆粒表面或鑲嵌于顆粒中的雜質,熱處理法主要是利用高溫去除包裹體或晶格中類質同象類雜質。相對于物理提純方法而言,化學提純操作復雜、成本較高,但在制備高純石英時,化學處理是最有效的,也是必不可少的。
        
        1、酸處理法
        
        在經歷初步物理提純后,大部分雜質礦物已被去除,但還有少量雜質礦物處在晶界、微裂隙及晶體內,酸(堿、鹽)處理法主要是為了去除這部分雜質。其中酸浸法應用最為廣泛,常采用氫氟酸、硫酸、鹽酸和硝酸這幾種酸的混合溶液對石英砂進行提純。
        
        氫氟酸對石英、長石、云母等都具有明顯的溶蝕作用,且結構缺陷越多,溶蝕速度越快,白云母、長石等鋁硅酸鹽的晶體結構必須結合氫氟酸才可有效破壞。
        
        濃硫酸具有強氧化性,熱的濃硫酸可以與大多數金屬反應,將大部分硫化礦物轉變成相應高價金屬硫酸鹽,其具有較高的沸點,常壓下可采用較高的浸出溫度。鹽酸具有良好的金屬溶解能力,且對鐵等離子具有良好的絡合性。
        
        硝酸具有強氧化性,能夠有效地將金屬元素氧化生成可溶性鹽,但是其單獨浸出效果不好,一般與鹽酸混合制備強腐蝕性王水進行浸出。草酸是酸浸常用的有機酸,可與溶出的金屬離子形成較穩定的絡合物,從而使其從石英表面脫離。
        
       ?。?)有氟浸出
        
        大量試驗表明,高純石英除雜采用單一酸浸效果不佳,而采用混合酸浸則可利用不同酸產生的協同效應,有效地去除雜質?,F如今,以氫氟酸為主浸劑酸的混合酸浸的應用最為廣泛,這方面相關研究較多,田金星將石英精礦經過兩段酸浸處理,混合酸Ⅰn(HCl)︰n(H2SO4)=1︰0.3,混合酸Ⅱ為HCl、H2SO4、HNO3、HF(<10%)的混酸,最終得到的SiO2含量大于99.99%。張研研將煅燒水淬后的花崗偉晶巖長石尾礦利用HF︰HCl=1︰9的混合酸處理,得到最終產品SiO2含量99.9928%。鐘樂樂將真空焙燒后的某脈石英礦進行還原體系的熱壓混合酸浸,酸浸條件為HF1.2mol/L、HCl3mol/L、HNO31mol/L,最終得到石英砂SiO2含量達到99.996%。夏章杰利用H2SO4和HF進行混合酸浸,H2SO4濃度為3mol/L、HF深度為0.5mol/L,最終測得Fe、K、Al的浸出率分別為97.31%、94.87%、86.47%。雷紹民等人研究表明,HCl-H2C2O4-HF混合酸對Fe的去除效果較H2SO4-H2C2O4-HF混合酸的效果好,且能有效避免硫對石英精礦的污染。
        
       ?。?)無氟浸出
        
        隨著國家對環境保護的日益重視,高純石英混合酸浸中的無氟無硝工藝在今后工業實踐中尤為重要。夏章杰利用熱壓浸出石英,在260℃、H3PO4濃度0.6mol/L條件下浸出4h,總雜質去除率達到85.26%,Al去除率達到87%,再經過1000℃加入NaCO3氧化焙燒,最終Al含量25.22×10-6,SiO2含量達到99.995%。林敏在HCl和H2SO4體系中通過添加銨鹽輔助催化浸出,熱壓浸出過程中,HCl-NH4Cl體系在最佳條件下,總雜質去除率85.2%,Al去除率88.2%;H2SO4-NH4Cl體系在最佳條件下,總雜質去除率84.0%,Al去除率87.5%?,F階段,工業上還使用以HF為主的酸浸工藝,無氟無硝工藝還僅在實驗室研究階段,但已經取得了一定的成效,為今后環境友好型生產工藝的實施奠定了基礎。
        
        2、熱處理法
        
       ?。?)高溫爆裂法
        
        直接高溫爆裂法是利用高溫焙燒、微波加熱等使石英晶體表面創造晶體缺陷和高能區,并使氣液包裹體氣化膨脹,再利用水淬使膨脹的氣液包裹體瞬時爆裂。石英晶體中的礦物包裹體與石英晶體界面間,由于界面硅氧鍵Si-O和金屬氧鍵Me-O的熱學性質差異,加溫時會在界面產生應力集中,金屬氧鍵M-O易于斷裂以及表面水蒸發,在界面形成收縮性裂隙,石英晶體表面的裂隙即晶體缺陷是能量過剩區域,具有化學活性高的特征,為提高化學浸出效率創造了先機。同時,經高溫焙燒過程,能除掉某些揮發性雜質以及精礦中殘留的浮選劑。
        
        在常壓條件下,升溫至573℃附近,石英Si-O鍵鍵角會發生位移型轉變,α-石英迅速轉變為β-石英;繼續升溫至870℃,β-石英會逐步轉變為β-鱗石英,該轉變晶格結構變化更大。石英經過這兩個晶型轉化點時,經高溫焙燒-急速水淬,會產生大量的裂紋,現階段,大多數試驗研究結果是利用石英第二個晶型轉變溫度,將高溫焙燒溫度定為900℃,但忽略了不同高純石英原料的差異性,缺乏針對不同高純石英原料焙燒溫度及焙燒工藝順序的科學界定。因此,需開展相應的理論和機理研究,從根本上揭示高純石英焙燒與雜質去除的內在聯系。
        
       ?。?)氯化焙燒法
        
        氯化焙燒是去除石英晶格雜質、堿金屬等間隙原子類雜質最主要的方法,氯化焙燒是在一定溫度和氛圍條件下,將雜質組分離子轉化為低沸點的氯化物,進而將雜質組分分離的過程。常用的氯化劑有氯氣、氯化氫、氯化銨、氯化鈉和氯化鈣等,氯化焙燒按產物形態可分為高溫焙燒(氯化揮發法)、中溫焙燒(氯化焙燒-浸出法)、氯化-離析。不同的氯化劑和焙燒溫度與晶格雜質作用的方式和效果存在較大差異。
        
        現階段,美國Unimin公司是唯一一個在高純石英提純中實現了氯化焙燒工業應用的企業。針對Al、Ti、Fe、Ca、Mg、K、Na、Li等8種常見的高純石英雜質,氯化焙燒對堿金屬K、Na的去除率最好,1200℃時K、Na可降至最低;氯化焙燒對Fe、Li有一定的去除作用,其他雜質Al、Ti、Ca、Mg未見明顯的去除效果,這是由△GMeCl20和△GMeO0之差決定的,Al、Ti、Ca、Mg等元素雖與氯化合的能力很強,但是它們與氧結合的能力更強,且△GMeCl20和△GMeO0之差負值很大,在標準狀態下不能夠被氯氣所氯化。例如TiO2轉變為TiCl4需要添加活性炭作為催化劑,否則反應很難進行。
        
        資料來源:《張海啟,馬亞夢,譚秀民,等.高純石英中雜質特征及深度化學提純技術研究進展[J].礦產保護與利用,2022,42(04):159-165》,由【粉體技術網】編輯整理,轉載請注明出處!
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