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晶格杂质：制约高纯石英质量的关键性因素
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关键性因素。
在提纯的整个工艺流程中，经过焙烧水淬、磁选、酸浸工序，石英中杂质元素Fe、Cr、Ni、Na、K、Ca、Mg、Cu等可以大幅度降低。但Al在经历一系列提纯工序之后，去除效果有限，这主要是因为Al3+进入晶格替代Si4+、而且离子半径也比较接近，不易提纯。
类似的还有Ti4+、B3+、P3+等杂质元素。可见，天然石英内部的杂质，特别是以类质同像状态存在的杂质，直接制约着高纯石英产品生产，当原矿Al、Ti、Li、B、P等杂质元素含量较高，就不易获得高纯石英。
典型的例子有，Norway地区石英岩，虽与蓝晶石等多种矿物共伴生，但其晶格杂质少且几乎不含流体包裹体，被认为有可能加工为高纯石英；而Sierrade Comechigones(Argentina)地区伟晶岩虽然SiO2含量很高，但由于细粒石英中晶格杂质较高，很难被加工为高纯石英。
综上所述，晶格杂质，是制约高纯石英质量的关键性因素。
偏析剥蚀法：去除石英晶格杂质的新方法
石英中晶格杂质元素被包裹在晶体体相内，散布在石英晶体内部，难以在不破坏石英结构的情况下直接富集和分离，而且晶格杂质元素在石英体相中分布通常较为均匀，即使氢氟酸等可破坏石英晶格的浸出剂也无法有效去除，目前仅有氯化焙烧可以降低石英内Na、K等碱金属含量，但对于其它杂质元素，特别是Al元素则几乎没有效果。为了分离晶格杂质元素，首先要改变晶格杂质元素的分布，使其富集后，才能有效分离去除。
扩散是物质从体系的某个位置自发移动到另一位置的过程，是原子、离子等粒子无规则热运动的结果。扩散现象普遍存在于气体、液体和固体中，且是固体中粒子迁移主要途径。若在特定条件下使晶格杂质元素发生扩散，则可改变晶格杂质元素在石英晶格中的分布。
偏析也称偏聚，是构成体系的某些组分偏离热力学平衡组成，在表面、晶界或晶格缺陷处吸附聚集，而使该组分不均匀分布的现象，与化学吸附有一定相似性。
若在扩散的基础上促使晶格杂质元素发生偏析，则有可能实现杂质元素的富集，最后根据杂质元素偏析情况，采取相应的分离去除方法，就可能达到降低石英中晶格杂质元素浓度的目的。
武汉理工大学的裴振宇博士，在上述设想的基础上，根据理论计算和试验分析得出了扩散偏析规律，创建了利用偏析剥蚀纯化晶格杂质元素制备高纯石英新工艺。
该工艺使用盐酸浸出来清除石英表面界面杂质；使用氢氧化钠侵蚀和活化石英表面，增加焙烧中空位生成量；然后通过焙烧促使晶格杂质元素由内部向表面扩散并在表层偏析富集；再用氢氧化钠剥蚀石英表层，溶解去除富集在石英表层的杂质元素，达到纯化晶格杂质元素的目的。
裴博士认为，偏析剥蚀法纯化新工艺可以高效去除石英晶格取代杂质元素Al，对晶格填隙杂质元素Na、K也有明显分离效果。经该工艺处理后石英中Al元素含量由62.79μg/g降低到7.8μg/g，杂质元素总含量由241.77μg/g降低到38.2μg/g，硅、氧总含量达到99.994%，达到了高纯石英标准。该研究也为丰富天然石英晶格杂质分离纯化理论与技术创新提供了新方法与借鉴。
参考来源：
【1】裴振宇：偏析剥蚀法纯化石英晶格杂质及机理研究，武汉理工大学博士学位论文
【2】中国粉体网：高纯石英砂提纯，最难除掉的竟然是它！
（中国粉体网编辑整理/平安）
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