石英矿中的这三种东西，甩不掉又招人嫌

中国粉体网讯  高纯石英原料需经过一系列的提纯工艺最终获得符合应用领域目标要求的高纯石英砂产品，而高纯石英所含的杂质特征是影响高纯石英提纯的关键因素。因此，需要对石英矿物的杂质特征进行分析，以确定合适的提纯工艺及应用方向。

石英的主要杂质元素为Al、Ca、Fe、Na、K、Li、Mg、Cr、Ni、B、Mn、Cu、Ti等。根据其赋存形态可分为脉石矿物杂质、包裹体杂质和晶体结构杂质。

脉石矿物杂质

脉石矿物类杂质指与石英矿物伴生的其他矿物，根据所处地层地质条件的差异，所生成的伴生矿物也不相同。石英中主要的脉石矿物杂质主要有长石、云母、金红石、方解石、萤石、赤铁矿、黄铁矿和黏土矿物等。这些脉石矿物杂质通过常规的物理选矿方法便可有效去除，如色选、擦洗、重选、磁选和浮选等。

包裹体杂质

硅质原料在结晶时产生空穴，产生了结构缺陷，其他矿物溶液在晶体生长过程中渗入这些缺陷，被石英包裹住而形成包裹体，种类繁多，包括矿物和熔体包裹体、气液包裹体等。

矿物和熔体包裹体普遍存在于石英矿物之中，其种类和丰度取决于结晶环节和结晶后的蚀变变形，通过光学显微镜便可观察到。岩浆岩中，主要包裹体有长石、云母和金红石等；变质岩中，矿物包裹体种类受到变质程度的影响，低级变质岩矿物包裹体主要有绿泥石、白云母和角闪石；高级变质岩中则多为蓝晶石、十字石和石榴石等;石膏和方解石等矿物包裹体多存在于沉积岩中。熔体包裹体多存在于岩浆岩石英中，呈璃状或结晶状微泡，主要含有Si、Al、Fe、Ca、Na和K等杂质元素。

石英矿中普遍含有气液包裹体，伴随着石英晶体生长机制和周围介质浓度发生变化，微量的固、液、气三相与石英晶面的生长作用力相互影响，差异性变化将H₂、O₂、N₂、CO、CO₂等捕获包裹在石英晶体中形成包裹体。由于晶体生长的环境及形成机理不同，石英中气液包裹体在数量、分布和成分组成上也会存在较大差异。

气液包裹体按其成因分为原生包裹体、假次生包裹体和次生包裹体。随着石英晶体的生长，原生包裹体是在石英晶体的各晶面生长过程中形成的，通过现有提纯工艺很难去除；而次生包裹体是在石英晶体结晶后才形成的，主要存在于断裂后再生长部位，因此次生包裹体去除难度相对较低。石英砂中的气液包裹体是生产石英玻璃时产生含气泡产品的主要因素，气泡的存在会降低产品纯度，如何去除石英玻璃中的气泡已经成为提升石英玻璃质量及性能的重点研究方向。

晶体结构杂质

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。

石英矿物晶格杂质元素类质同象分布示意图

石英中的晶格杂质需要破坏石英晶格才能除掉，是最难除掉的杂质种类，也是目前高纯石英研究主要关注的杂质种类。在石英晶格的外来元素中，Al的研究和分析是最重要的，是判断高纯石英矿物原料品质的重要标志物，这是因为其相较天然石英中其他杂质元素，Al含量往往最高，也最容易通过测试分析方法分析出来。当石英中存在大量Al杂质时，Li、K、Na等杂质元素的含量会增加。除Al外，Ti也是判断高纯石英矿物原料品质的重要标志物之一，由于Ti-O键非常稳定，不易破坏，无论是晶格间Ti还是包裹体中的含Ti矿物，均很难通过常规的选矿手段和化学提纯方式经济合理除去。

参考来源：

赵海波等.天然石英矿物微量元素赋存特征研究进展及对高纯石英找矿的指示

刘慧阳等.高纯石英砂氯化焙烧技术研究进展

武志超等.高纯石英应用及化学提纯技术研究进展

张海啟等.高纯石英中杂质特征及深度化学提纯技术研究进展

银波.化学法制备高纯石英砂工艺与应用研究

（中国粉体网编辑整理/初末）

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