【原创】如何判定你的矿适不适合加工高纯石英？

2023-01-28
来源：中国粉体网初末

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[导读] 高纯石英是高档石英制品的原料，是硅产业高端产品的物质基础，广泛运用于光伏、电子信息、光通讯和电光源等行业，在新材料新能源战略性新兴产业中具有重要地位和作用。

中国粉体网讯 高纯石英是高档石英制品的原料，是硅产业高端产品的物质基础，广泛运用于光伏、电子信息、光通讯和电光源等行业，在新材料新能源战略性新兴产业中具有重要地位和作用。

最早的高纯石英使用一、二级天然水晶为原料，随着高科技行业快速发展，有限且逐渐枯竭的天然水晶并不能满足高纯石英巨大的市场需求。从20世纪70年代开始，美国以花岗伟晶岩、日本以细粒伟晶岩、俄罗斯和德国则以变质石英岩和脉石英为原料加工高纯石英。目前，以天然石英矿物为原料已变为获取高纯石英的最主要方式。

高纯石英原料的来源及加工特点

资源获取方式

高纯石英原料资源类型并不局限于由石英单一组成的天然矿物岩石，它的来源既包括地质产出条件严苛的水晶，又包括脉石英、石英岩、石英砂岩等，甚至可以从花岗伟晶岩等富石英矿物的岩石中获取。不同成因类型的石英原料性质存在差异，应用领域也有所不同，但高纯石英原料仅占其中一小部分，主要用于生产高附加值的产品。

不同类型的石英原料特点与优先应用领域

来源：吴逍.高纯石英原料选择评价及提纯工艺研究

加工利用特点

高纯石英原料的资源利用特点是从石英本身的物理化学性质出发，原料需经过矿物加工技术处理，分离石英砂中的脉石矿物，富集纯净的石英颗粒，必要时还对石英内部的包裹体和类质同象形式的杂质元素进行破坏和去除，最终提纯到目标应用领域的工业要求。高纯石英原料的提纯潜力受矿石的化学成分、矿物组成、嵌布粒度和固结度等性质的影响，提纯产品的化学纯度越高价值越高，下游石英制品具有高新技术含量高、应用领域尖端等特点。高纯石英原料的加工过程具有原矿性质影响大、产品纯度高、应用目的性强和易受污染的特点。

高纯石英原料的矿物学特征

杂质赋存状态

石英原料中杂质元素种类多、含量高、赋存状态多样化，各地区形成石英矿石的热力条件不同，原料中的杂质的赋存状态均有差异。

要选择正确的高纯石英原料和制定最佳的石英提纯方案，则必须明确石英中杂质元素的赋存状态。共伴生独立脉石矿物（如云母、长石、赤铁矿、电气石、绿泥石和黏土矿物等）是石英中杂质元素的主要载体矿物，且在地质成矿过程中佷容易成为石英中的矿物包裹体，是制约最终石英产品质量的重要因素之一。

石英中杂质赋存状态

来源：魏奎先等.高纯石英制备技术研究进展

矿物组成与嵌布特征

石英与脉石矿物嵌布特征直接影响石英单体解离度，进而影响选矿提纯效果。石英受成岩作用和变质作用改造强度越大，石英与脉石矿物的嵌布差异越明显，嵌布特征也逐渐由毗邻型转变为缝状、甚至包裹型，在粉碎过程中单体解离难度依次增加，被加工为高纯石英的可能性也逐渐降低。

研究表明，矿物组成即使很复杂的石英原料也具备被加工为高纯石英的潜力，石英晶粒间隙和晶界间处存在矿物杂质的脉石英也可能被加工为高纯石英，但是目前技术条件下，矿物包裹体杂质并不能从石英中被有效分离出，因此，不易与脉石矿物单体解离，普遍含有大量包裹体的石英很难被加工为高纯石英。

流体包裹体

流体包裹体的种类、尺寸和含量对高纯石英质量有着显著影响。石英中流体包裹按内含物质状态可以分为:纯气体、纯液体、气液混合包裹体和三相包裹体。流体包裹体在形成过程中所捕获的流体属过饱和溶液，当温度降低时会从溶液中结晶形成包括石盐、钾盐以及一些硅酸盐矿物的子矿物，因此流体包裹体中含有Na、K、Ca等杂质，是高纯石英产品中杂质主要来源之一。

关于如何降低石英中流体包裹体含量的研究虽然已开展很久，但在脱除富气相、微小尺寸流体包裹体方面等方面并未取得良好进展。因此，选择流体包裹体含量极少或无流体包裹体的石英作为高纯石英原料是加工高纯石英的关键。

晶格杂质

石英晶体在形成过程中，一些元素会替代硅元素进入石英晶体中，形成了石英的结构性杂质。这些杂质含量虽然很低，但从石英中分离难度大，是制约高纯石英质量最关键性因素。

石英中晶体结构杂质分为晶格杂质和非晶格杂质。晶格杂质主要以他类原子以类质同象的方式取代硅氧四面体中的硅原子，主要杂质元素有Al³⁺、Ti⁴⁺、Ge⁴⁺等。其中，微量元素替代石英中的硅原子主要有三种方式：（1）等价替代，如Ti⁴⁺、Ge⁴⁺替代Si⁴⁺；（2）离子团替代，如Al³⁺与P⁵⁺或Al³⁺与Na⁺替代Si⁴⁺；（3）电荷补偿替代，如Al³⁺、Fe³⁺所形成的[AlO₄/M⁺]0或[FeO⁴/M⁺]0结构中心。由于Al³⁺和Si⁴⁺半径相近，Al³⁺替代硅原子最为常见，Al³⁺替代Si⁴⁺后为了达到电荷平衡，首先由正一价碱金属离子（如Li⁺、Na⁺、K⁺）以及H⁺来补偿，如果碱金属离子不足，有时用正二价的Ca²⁺、Mg²⁺离子及部分过渡金属离子来补偿，从而碱金属离子（如Li⁺、Na⁺、K⁺）以及H⁺等可作为电荷补偿离子进入石英晶格而赋存于石英晶格间隙中，因此可以通过石英中Al的含量判断石英原料的质量。