中國粉體網訊 隨著我國光伏和半導體等行業的快速發展，我國高純石英砂的需求量越來越高。然而，我國4N8級高純石英砂原礦和產品嚴重依賴進口，存在“卡脖子”風險，國內優質石英資源的高效提純已成為行業的研究熱點。
石英砂除雜工藝是將原料石英砂，通過水洗分級、擦洗脫泥、磁選、色選、浮選、酸洗、氯化焙燒等方法聯合作業，去除石英砂中的礦物雜質，獲得粒度和雜質含量均符合要求的高純石英砂。其中氯化焙燒是高純石英砂提純工藝中最為重要的一步。
什么是氯化提純？
氯化焙燒是礦物加工常用的提純方法，即在特定的溫度和氣氛下，通過氯化劑將礦物中的目標成分轉化為氣相或凝聚相的氯化物，從而使其脫離礦物體系。
根據焙燒溫度的差異，氯化焙燒可分為中溫氯化焙燒、高溫氯化焙燒和氯化離析3種類型。中溫氯化焙燒生成的氯化物為凝聚相，仍保留在焙砂中，需要通過浸出等使其從礦物體系脫除，因此也稱為氯化焙燒-浸出法。高溫氯化焙燒生成的氯化物呈氣態，焙燒過程中直接從礦物中揮發脫除，因此也稱為高溫氯化揮發法。氯化-離析法則是在高溫氯化焙燒基礎上加入還原劑，將金屬雜質還原為金屬單質的過程。
常用的氯化劑包括固體（如NaCl、KCl、CaCl、NH4Cl）和氣體（如HCl、Cl2），工業生產過程為保證生產的連續性、穩定性和安全性，一般采用HCl氣體做氯化劑。美國尤尼明公司率先在高純石英砂提純中實現氯化焙燒工業應用。近年來，國內高純石英砂氯化提純基礎理論研究和技術開發取得長足進展，相關企業已陸續掌握氯化提純工藝，實現了坩堝用外層砂和中層砂的生產。
去除雜質及原理
石英砂中的主要雜質元素為Al、Ca、Fe、Na、K、Li、Mg、Cr、Ni、B、Mn、Cu、Ti等。根據其賦存形態可分為脈石礦物雜質、包裹體雜質和晶體結構雜質。
晶體結構雜質氯化反應過程
石英砂氯化焙燒前后雜質質量分數
雜質元素在石英砂中主要以氧化物或硅酸鹽形態存在，其氯化反應方程見式（1）-式（4）。吉布斯自由能變化是衡量反應過程的方向和限度的重要依據。
MeO+Cl2→MeCl2+O2 （1）
MeSiO3+Cl2→MeCl2+SiO2+O2 （2）
MeO+HCl→MeCl2+H2O （3）
MeSiO3+HCl→MeCl2+SiO2+H2O （4）
PbO、CuO、CdO、NiO等在標準態下可以被氯氣氯化，但Fe2O3、Al2O3、SiO2、TiO2在標準態下難以被氯化。
純度及應用
氯化焙燒可以將石英砂穩定提純到4N-4N8（99.99%-99.998%）的純度范疇。尤其在光伏石英坩堝、半導體等高端石英砂生產過程中廣泛應用。成都理工大學汪靈教授指出，通常來講，光伏石英坩堝用內層砂的代表原料為美國北卡羅來納州Spruce Pine地區的花崗偉晶巖石英，其特點是w(SiO2)≥99.998%（4N8）且質量穩定。中層砂代表原料為印度等國進口的脈石英A級礦，特點是w(SiO2)≥99.998%（4N8）。外層砂主要代表原料為印度等國進口的質量和穩定性稍次的脈石英A級或接近A級的B級礦，特點是w(SiO2)≥99.995%（4N5）。
國家標準《GB/T 32649-2016光伏用高純石英砂》規定了光伏用高純石英砂的粒徑應在70μm~350μm范圍內，且在該粒徑范圍的累積質量分數應大于或等于90%。粒徑小于100μm或大于300μm的累積質量分數均應小于1%；光伏用高純石英砂中二氧化硅含量應大于或等于99.99%，灼燒失量應小于或等于0.01%；光伏用高純石英砂雜質元素總含量應小于或等于25μg/g，其中鉀、鈉含量總和小于2.5μg/g。
氯化焙燒技術研究進展
潘俊良等采用Cl2為氯化劑對石英砂樣品進行氯化焙燒，在氣體流速600ml/min、焙燒溫度900℃、焙燒時間60min條件下，樣品雜質含量由29.4X10-6降至23.3X10-6，且焙燒過程對Al、堿土金屬和過渡金屬元素的去除效果較好，但是對堿金屬元素去除效果不明顯，所得石英砂含量達到4N8高純石英的標準。
茆令文等人采用用國內某脈石英礦通過“煅燒－水淬－水力分級－磁選-浮選-酸浸泡-超聲清洗－高溫氯化深度提純及煅燒脫氣”等一系列選礦提純手段將樣品的二氧化硅含量提高到4N7左右。
梁曉亮等采用KCl、NaCl、CaCl2作氯化劑，通過微波加熱對石英砂進行氯化焙燒。結果表明，KCl對雜質脫除效果最佳。石英砂與KCl混合后在900℃微波焙燒4h，之后采用鹽酸、硫酸和硝酸組成的混合酸進行200℃、4h的熱壓酸浸，所得石英砂雜質脫除率達82.20%，產品符合4N高純石英砂標準。
參考文獻：
劉慧陽等.高純石英砂氯化焙燒技術研究進展
張海啟等.高純石英中雜質特征及深度化學提純技術研究進展
潘俊良等.氯化焙燒法制備4N8標準級高純石英試驗研究
梁曉亮，侯清麟等.微波氯化Nigeria硅礦制備4N高純石英砂的工藝研究
茆令文等.脈石英替代水晶生產高純石英砂試驗研究
國家標準《GB/T 32649-2016光伏用高純石英砂》
（中國粉體網編輯整理/九思）
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