高純石英砂的選礦、加工技術(shù)現(xiàn)狀總結(jié)

高純石英是高檔石英制品的原料，是硅產(chǎn)業(yè)高端產(chǎn)品的物質(zhì)基礎(chǔ)，廣泛運(yùn)用于光伏、電子信息、光通訊和電光源等行業(yè)，在新材料新能源戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中具有重要地位和作用。

高純石英砂是SiO2含量高于99.9%的石英砂，為白色粉末，無(wú)異色，雜質(zhì)含量很低。它具有高的耐溫性，極好的化學(xué)特性，優(yōu)良的電絕緣性和透光性等，是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)不可替代的礦物原料。

石英原料選擇

世界上只有少數(shù)幾種原礦可以生產(chǎn)高純度的石英砂用于高科技工業(yè)。我國(guó)硅石資源種類繁多，儲(chǔ)存量大。石英巖、石英砂巖和脈石英是我國(guó)生產(chǎn)高純石英砂的主要原材料。

（1）石英巖

石英巖是一種以石英為主的變質(zhì)巖。它是由石英砂巖和硅質(zhì)巖石變質(zhì)作用形成的，其中二氧化硅含量在85%以上。青海、遼寧和陜西是石英巖的主要分布區(qū)域。

（2）石英砂巖

石英砂巖是由石英顆粒膠結(jié)而成的沉積巖，其二氧化硅含量高達(dá)95%。福建、廣東、廣西南部、海南西北部和山東北部沿海地區(qū)是石英砂巖礦床的主要分布區(qū)域。

（3）脈石英

脈石英是由地下巖漿分泌的硅熱液填充在巖石裂隙中而形成的，它的二氧化硅含量高達(dá)99%。四川、黑龍江、湖北等地的變質(zhì)巖區(qū)是脈石英礦床的主要分布區(qū)域。

預(yù)處理與加工

高純石英砂加工通常涉及煅燒－水淬－分級(jí)，磁選－浮選－酸浸－清洗，以及氯化焙燒等復(fù)雜工藝過(guò)程。

物理方法

物理方法主要是通過(guò)水洗—分級(jí)脫泥、擦洗、磁選和浮選等方法除去石英砂中的雜質(zhì)，也可以聯(lián)合幾種工藝進(jìn)一步除雜。

1.水洗—分級(jí)脫泥

在石英砂選礦流程中，通常把粒度小于0.1mm的細(xì)粒級(jí)稱為礦泥。針對(duì)還有大量黏土及礦泥的石英砂，隨著粒度的變細(xì)，二氧化硅的品位逐漸降低，而鐵、鋁等雜質(zhì)反而上升。采用水洗—分級(jí)脫泥方法可有效提高其品位。

2.擦洗

對(duì)于石英砂表面的薄膜鐵和粘連性的雜質(zhì)，水洗—分級(jí)脫泥的效果較差，這就需要借助機(jī)械力和砂粒之間的磨剝力來(lái)去除適應(yīng)砂表面的薄膜鐵及粘連性雜質(zhì)，在經(jīng)過(guò)分級(jí)脫泥就可以實(shí)現(xiàn)較好地除雜效果。

3.重選

重選是根據(jù)礦物重力的不同對(duì)礦物進(jìn)行篩選。礦物顆粒由于密度的不同在介質(zhì)中受流體力和機(jī)械力的影響不同，產(chǎn)生松散的分層，從而礦石顆粒被分離。

4.磁選

磁選是將石英砂中的磁性雜質(zhì)礦物和顆粒分離出來(lái)。石英砂中的石英是反磁性物質(zhì)，在磁場(chǎng)中不能被磁化，而其中含F(xiàn)e、Ti的雜質(zhì)大多是順磁性物質(zhì)，可以被磁化，從而通過(guò)磁選可以除去含F(xiàn)e、Ti的雜質(zhì)，獲得很高的石英砂含量。

5.浮選

浮選是通過(guò)礦物顆粒表面上的不同物理和化學(xué)性質(zhì)對(duì)礦物顆粒進(jìn)行分離的過(guò)程，主要功能是從石英砂中除去相關(guān)的礦物云母和長(zhǎng)石。

物理選礦方法只能去除礦物結(jié)構(gòu)類的雜質(zhì)，很少能除去石英砂表面的雜質(zhì)。石英砂越純利用價(jià)值越高，所以有必要進(jìn)一步提純浮選后的石英砂。

化學(xué)方法

提純石英砂的化學(xué)方法主要為酸浸法或堿浸法，因其浸出效率高也是最常用的。相對(duì)于物理方法，化學(xué)法的成本要高，但是提純效果要好，特別是對(duì)石英砂純度要求較高的情況下，化學(xué)提純更有效。

酸浸中常用的酸有硫酸、鹽酸、硝酸、氫氟酸等。稀酸對(duì)鐵、鋁、鎂等雜質(zhì)去除效果好，而濃的硫酸、氫氟酸對(duì)鈦、鉻雜質(zhì)去除效果好，因此在實(shí)際選礦中，混合使用酸對(duì)石英砂的提純效果最佳。

與一般的礦物加工工程相比，高純石英砂加工工藝有如下特點(diǎn)：

（１）試劑純度高。酸浸和水洗是高純石英砂加工工藝的重要環(huán)節(jié)。由于高純石英對(duì)純度要求極高，雜質(zhì)元素含量很低，所用酸和水等試劑純度必須達(dá)到相應(yīng)要求，否則難以生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。

（2）試劑腐蝕強(qiáng)。熱酸浸在高純石英的提純加工中具有關(guān)鍵作用。石英的一個(gè)重要化學(xué)性能是耐酸蝕性能優(yōu)良，而礦石中的其他金屬雜質(zhì)成分一般耐酸蝕性差。在一定溫度條件下，這種作用更加明顯。高純石英加工所采用的酸浸工藝正是利用這個(gè)原理，實(shí)現(xiàn)化學(xué)提純。

（3）材料標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)。實(shí)踐證明，在高純石英提純加工中，凡與原料相接觸的容器等材料對(duì)樣品質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響。嚴(yán)格控制高純石英砂各加工環(huán)節(jié)的材料標(biāo)準(zhǔn)是保證質(zhì)量的關(guān)鍵。

其他方法

1.超聲波除鐵法

超聲波是一種高頻率震動(dòng)，一般頻率≥20kHz，當(dāng)其在溶液中會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象。在空化的過(guò)程中，液體內(nèi)部的壓強(qiáng)突變，產(chǎn)生沖擊波，壓力能達(dá)到幾千甚至幾萬(wàn)個(gè)大氣壓。在這種作用力下，顆粒表面的鐵薄膜便會(huì)脫落下來(lái)，從而達(dá)到除鐵等雜質(zhì)的目的。

2.微生物浸出法

微生物浸出是一種利用微生物的生理機(jī)能及其代謝產(chǎn)物經(jīng)氧化、溶解及分解等作用使石英砂表面的雜質(zhì)成分與石英母體分離的新型提純方法。

雖然微生物浸出具有更環(huán)保，更節(jié)能的除雜優(yōu)勢(shì)，但是其浸出時(shí)間長(zhǎng)，浸出效率低等缺點(diǎn)制約了在工業(yè)上的應(yīng)用。

深加工技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)度，尤其是國(guó)內(nèi)外IC技術(shù)發(fā)展迅速，對(duì)石英砂質(zhì)量的要求也不僅體現(xiàn)在純度方面，在細(xì)度等其他方面的要求也越來(lái)越高。目前深加工的主要方向?yàn)槌?xì)粉碎、球形化及改性這三方面。（1）超細(xì)粉碎

高純石英微粉作為填充材料已顯示出廣闊的應(yīng)用前景，其具有介電性能優(yōu)異、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)低，耐高溫、耐腐蝕、粒度分布可控、懸浮性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在催化劑、高級(jí)磨料、精細(xì)化工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

加工過(guò)程通常以高純石英砂為原料，經(jīng)熔融煅燒、超細(xì)磨、分級(jí)等工藝生產(chǎn)出合格的超細(xì)石英粉。

（2）球形化

將超細(xì)石英粉球形化一是可以使其表面流動(dòng)性好，與樹(shù)脂攪拌成膜更加均勻，由此生產(chǎn)的電子元件性能也越好;二是球形化形成的塑封料應(yīng)力集中最小，強(qiáng)度較高，球形粉塑封料封裝的集成電路芯片成品率高;三是球形粉摩擦系數(shù)小，對(duì)模具產(chǎn)生的摩擦力小，可提高模具的使用壽命。

（3）表面改性

天然的石英微粉與高分子材料的親和能力差，作為填料時(shí)往往分散不均勻，甚至成團(tuán)，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量影響較大，因此需對(duì)石英微粉進(jìn)行表面改性處理，使之具有反應(yīng)活性。

表面改性的方法主要分為包裹改性、沉積改性、微膠囊改性、表面化學(xué)改性機(jī)械化學(xué)改性及高能處理改性。

寫在最后

目前我國(guó)高純石英技術(shù)已經(jīng)取得一定進(jìn)展，主要標(biāo)志是初步具有4N高純石英中端產(chǎn)品的批量生產(chǎn)能力，并基本掌握了高純石英質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)。但是，我國(guó)目前還沒(méi)有4N8及以上高端產(chǎn)品生產(chǎn)能力，表明與國(guó)際先進(jìn)水平的差距依然很大。

目前在半導(dǎo)體行業(yè)、光伏產(chǎn)業(yè)、光纖通信、光學(xué)玻璃工業(yè)中高純石英砂被廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)需求量越來(lái)越大，高純石英砂性能優(yōu)良，有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。對(duì)于高純石英砂行業(yè)，不能安于現(xiàn)狀，仍要奮起直追，產(chǎn)學(xué)研要相結(jié)合，開(kāi)展高純石英原料選擇技術(shù)、加工工藝技術(shù)和加工裝備技術(shù)攻關(guān)，為我國(guó)高純石英高端產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化提供技術(shù)支撐。