中國粉體網訊 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，物理法提純主要有擦洗、重選、磁選、色選和浮選等工藝，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。
（來源：孫紅娟教授）
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。例如堿金屬元素雜質K、Na會降低石英玻璃的使用溫度和機械強度，在高溫下對石英玻璃的析晶起催化作用，導致石英玻璃出現失透、高溫變形等現象。降低堿金屬元素的含量有利于提高高純石英坩堝的軟化點，增強石英坩堝的抗變形性，提高單晶的成品率。
IOTA標準砂要求堿金屬元素總和2.4×10-6，用于工藝管、硅片處理、石英塊、提單晶硅用的半導體坩堝所需高純石英要求其總和1.4×10-6，CZ型坩堝要求其總和0.5×10-6，而用于12英寸或更大尺寸硅片所需超高純石英砂要求其總和0.08×10-6。
物理法提純無法去除這些雜質，需要進行化學法深度提純�；瘜W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。
其中，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。
氯化焙燒法不是一種新興的礦物冶煉方法，很早以前即在貴重、難選金屬礦物以及礦物回收利用方面有了成功的應用。隨著礦物加工工藝研究的深入，氯化焙燒的應用開始向非金屬礦物加工發展。
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國外企業。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。
湖北菲利華的研發人員采用高溫氯化工藝對國內外3種石英砂試樣進行了提純試驗，結果表明，干燥的HCl氣體、Cl2、Cl2和HCl的混合氣體均對Na、Fe、K等金屬雜質有明顯的去除效果，其中干燥HCl氣體對石英砂的提純效果最好。此外，還詳細研究了氯化時間、氯化溫度等參數對石英砂提純效果的影響，結果表明，氯化時間2h、氯化溫度1000℃對石英砂中Na、Fe、K等雜質的去除效果最佳。
氯化焙燒提純工藝中，常用的氯化劑有氯氣、氯化氫、氯化銨、氯化鈉、氯化鉀和氯化鈣等，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。
在傳統的氯化焙燒純化技術中，石英砂通常在Cl2或HCl氣體氣氛中被加熱到1000～1200℃。主要微量金屬元素（例如在石英晶格中結合的Al3+、Fe3+和Ti4+）擴散到石英晶粒的表面/界面，然后與電離出的Cl-反應，形成低沸點氯化物得以被迅速去除。即使在1000～1200℃，硅氧四面體的結合能力依舊很大，金屬元素仍以極低的擴散速率向石英表面/界面擴散，嚴格地限制了氯化反應的反應速率。
在較高的溫度（1200～1500℃）下，固體石英砂明顯熔化形成固溶體，由于總孔隙率的降低，石英顆粒的體積密度大大增加；在這種溫度下，盡管金屬元素已經被活化，但固溶體石英失去了許多允許晶格雜質與Cl-反應的活性界面。在較高的溫度下，氯化率實際上更低。因此，高溫條件下石英中的晶格雜質在擴散速率與反應速率之間的矛盾是迫切需要解決的最關鍵問題之一。
氯化焙燒后石英顆粒表面形貌
由于傳統氯化焙燒純化技術溫度較高，一些鹽類氯化劑被引入到石英提純中以降低焙燒溫度并提升分離效率。采用包括NaCl和KCl在內的高效氯化劑對高品質石英進行提純，石英的晶體結構可以被陽離子嚴重破壞，從而促進從α-石英到β-石英或方晶石的快速相變。快速相變會以介孔和活性界面的形式形成豐富的晶體缺陷，為相分離提供可能的活性位點。氯化劑中的陽離子（K或Na）可以被氯氣或氯化氫氣體去除，從而實現對結構性和面網間堿金屬元素雜質的綜合去除。同時，應該注意的是，NaCl和KCl在石英加工中的用量必須嚴格限制。
參考資料
張海啟等：高純石英中雜質特征及深度化學提純技術研究進展，中國地質科學院鄭州礦產綜合利用研究所
婁陳林等：石英砂高溫氯化提純研究，湖北菲利華石英玻璃股份有限公司
林敏等：高純石英（SiO2）評述（二）：晶格雜質的活化與分離技術，武漢京東方光電科技有限公司
潘俊良：氯化焙燒法制備4N8標準級高純石英試驗研究，成都理工大學
（中國粉體網編輯整理/平安）
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