中国粉体网讯 不同石英原料的矿石性质差异较大，提纯潜力受矿石的化学成分、嵌布粒度特征、脉石矿物、包裹体和晶格杂质等性质的影响。高纯石英的提纯方法主要分为物理法和化学法。不同的共伴生矿物采用不同的分选技术，物理法提纯主要有擦洗、重选、磁选、色选和浮选等工艺，可以去除几乎所有以单体存在的矿物杂质，除杂后杂质元素的含量处于较低水平。
（来源：孙红娟教授）
此时，气液包裹体和晶格内部类质同象杂质是主要的杂质来源，而这些杂质是制约高纯石英产品制备的关键性因素。例如碱金属元素杂质K、Na会降低石英玻璃的使用温度和机械强度，在高温下对石英玻璃的析晶起催化作用，导致石英玻璃出现失透、高温变形等现象。降低碱金属元素的含量有利于提高高纯石英坩埚的软化点，增强石英坩埚的抗变形性，提高单晶的成品率。
IOTA标准砂要求碱金属元素总和2.4×10-6，用于工艺管、硅片处理、石英块、提单晶硅用的半导体坩埚所需高纯石英要求其总和1.4×10-6，CZ型坩埚要求其总和0.5×10-6，而用于12英寸或更大尺寸硅片所需超高纯石英砂要求其总和0.08×10-6。
物理法提纯无法去除这些杂质，需要进行化学法深度提纯。化学深度提纯主要包括酸（碱、盐）处理法和热处理法，酸（碱、盐）处理主要去除以包裹体形式存在石英砂颗粒表面或镶嵌于颗粒中的杂质，热处理法主要是利用高温去除包裹体或晶格中类质同象类杂质。相对于物理提纯方法而言，化学提纯操作复杂、成本较高，但在制备高纯石英时，化学处理是最有效的，也是必不可少的。
其中，氯化焙烧是去除石英晶格杂质、碱金属等间隙原子类杂质最主要的方法，氯化焙烧是在一定温度和氛围条件下，将杂质组分离子转化为低沸点的氯化物，进而将杂质组分分离的过程。
氯化焙烧法不是一种新兴的矿物冶炼方法，很早以前即在贵重、难选金属矿物以及矿物回收利用方面有了成功的应用。随着矿物加工工艺研究的深入，氯化焙烧的应用开始向非金属矿物加工发展。
现阶段，美国Unimin公司是唯一一个在高纯石英提纯中实现了氯化焙烧工业应用的国外企业。针对Al、Ti、Fe、Ca、Mg、K、Na、Li等8种常见的高纯石英杂质，氯化焙烧对碱金属K、Na的去除率最好，1200℃时K、Na可降至最低；氯化焙烧对Fe、Li有一定的去除作用，其他杂质Al、Ti、Ca、Mg未见明显的去除效果。
湖北菲利华的研发人员采用高温氯化工艺对国内外3种石英砂试样进行了提纯试验，结果表明，干燥的HCl气体、Cl2、Cl2和HCl的混合气体均对Na、Fe、K等金属杂质有明显的去除效果，其中干燥HCl气体对石英砂的提纯效果最好。此外，还详细研究了氯化时间、氯化温度等参数对石英砂提纯效果的影响，结果表明，氯化时间2h、氯化温度1000℃对石英砂中Na、Fe、K等杂质的去除效果最佳。
氯化焙烧提纯工艺中，常用的氯化剂有氯气、氯化氢、氯化铵、氯化钠、氯化钾和氯化钙等，氯化焙烧按产物形态可分为高温焙烧（氯化挥发法）、中温焙烧（氯化焙烧-浸出法）、氯化-离析。不同的氯化剂和焙烧温度与晶格杂质作用的方式和效果存在较大差异。
在传统的氯化焙烧纯化技术中，石英砂通常在Cl2或HCl气体气氛中被加热到1000～1200℃。主要微量金属元素（例如在石英晶格中结合的Al3+、Fe3+和Ti4+）扩散到石英晶粒的表面/界面，然后与电离出的Cl-反应，形成低沸点氯化物得以被迅速去除。即使在1000～1200℃，硅氧四面体的结合能力依旧很大，金属元素仍以极低的扩散速率向石英表面/界面扩散，严格地限制了氯化反应的反应速率。
在较高的温度（1200～1500℃）下，固体石英砂明显熔化形成固溶体，由于总孔隙率的降低，石英颗粒的体积密度大大增加；在这种温度下，尽管金属元素已经被活化，但固溶体石英失去了许多允许晶格杂质与Cl-反应的活性界面。在较高的温度下，氯化率实际上更低。因此，高温条件下石英中的晶格杂质在扩散速率与反应速率之间的矛盾是迫切需要解决的最关键问题之一。
氯化焙烧后石英颗粒表面形貌
由于传统氯化焙烧纯化技术温度较高，一些盐类氯化剂被引入到石英提纯中以降低焙烧温度并提升分离效率。采用包括NaCl和KCl在内的高效氯化剂对高品质石英进行提纯，石英的晶体结构可以被阳离子严重破坏，从而促进从α-石英到β-石英或方晶石的快速相变。快速相变会以介孔和活性界面的形式形成丰富的晶体缺陷，为相分离提供可能的活性位点。氯化剂中的阳离子（K或Na）可以被氯气或氯化氢气体去除，从而实现对结构性和面网间碱金属元素杂质的综合去除。同时，应该注意的是，NaCl和KCl在石英加工中的用量必须严格限制。
参考资料
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，中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所
娄陈林等：石英砂高温氯化提纯研究，湖北菲利华石英玻璃股份有限公司
林敏等：高纯石英（SiO2）评述（二）：晶格杂质的活化与分离技术，武汉京东方光电科技有限公司
潘俊良：氯化焙烧法制备4N8标准级高纯石英试验研究，成都理工大学
（中国粉体网编辑整理/平安）
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