中國粉體網(wǎng)訊 在高純石英提純中，熱處理法憑借其獨特的工藝和顯著的效果，成為研究和應用的重點方向。熱處理法主要包括高溫焙燒、微波加熱和氯化焙燒3種工藝，每種工藝都在高純石英提純過程中發(fā)揮著重要作用。
高溫焙燒和微波加熱作為傳統(tǒng)的熱處理工藝，常被用于石英提純過程中的預處理除雜。高溫焙燒法的原理是通過焙燒石英，使包裹體達到均一溫度，并持續(xù)加熱至包裹體的內(nèi)部應力超出石英承受限度而爆裂，后續(xù)再用酸溶解這些包裹體雜質(zhì)。在這個過程中，高溫焙燒會使石英因相變而體積膨脹，導致石英表面產(chǎn)生裂紋。繼續(xù)水淬能使裂紋加深且增多，這不僅促進了更多雜質(zhì)暴露，方便后續(xù)酸浸去除，而且煅燒后石英因材質(zhì)變脆，其碎磨的成本也得到降低。
胡祥琳等將浮選后的石英在900℃下焙燒7h后水淬，活化石英表面，增加了石英與酸液作用的活性位點暴露程度，酸浸后得到的石英砂中SiO2含量可達99.995%。
微波加熱則是一種內(nèi)部加熱方式，所加熱材料的介電常數(shù)和極性越大，吸波能力越強，也就越容易加熱。像磁鐵礦等礦物雜質(zhì)吸波能力較強，屬于極其活躍的礦物，包裹體雜質(zhì)以及晶格雜質(zhì)也能夠吸波，而SiO₂相對不活躍。
Hou等研究顯示，當微波加熱石英砂至600℃時，氣液夾雜物界面會出現(xiàn)裂紋，增大微波功率加熱石英砂至900℃時，大多數(shù)氣液夾雜物可以得到去除。由于石英在870℃時的晶型轉(zhuǎn)化會導致較大的體積膨脹率，所以高溫焙燒和微波加熱的溫度一般控制在900℃左右，并且常作為石英酸浸的前置工藝。
氯化焙燒由于能夠有效去除晶格雜質(zhì)，成為石英深度提純的關鍵技術手段。它是在焙燒石英時通入氯化氫氣體等氯化劑，使石英雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為氣相或凝聚相的氯化物，從而脫離原有礦物體系。根據(jù)焙燒溫度和產(chǎn)物形態(tài)的差異，氯化焙燒可細分為中溫焙燒（氯化焙燒-浸出法）、高溫焙燒（氯化揮發(fā)法）和氯化-離析三種類型。
中溫氯化焙燒時，反應生成的氯化物會留于石英砂中，需由后續(xù)的酸浸去除。比如林敏以NH4Cl-H2SO₄浸出體系提純后石英為原料，在900℃下?lián)诫s2‰KCl焙燒45h，再熱壓酸浸4h，所得石英SiO2含量達99.997%，總雜質(zhì)元素去除率達70.4%。高溫氯化焙燒則是在高溫下，反應生成的氯化物以氣體的形式逸出體系。
潘俊良在焙燒溫度900℃條件下，使用流速為600mL/min的Cl₂對石英砂進行60min的氯化焙燒，樣品雜質(zhì)含量由29.4×10-⁶降至23.3×10-⁶。
婁陳林等通過高溫氯化提純石英砂，發(fā)現(xiàn)干燥HCl、Cl₂或Cl₂/HCl混合氣均對Na、Fe、K等金屬雜質(zhì)有明顯去除效果，其中干燥HCl氣體的提純效果較好。氯化-離析法是在高溫氯化的基礎上加入還原劑，將金屬雜質(zhì)離子還原為金屬單質(zhì)，然后通過物理選別去除。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，一般采用HCl氣體進行高溫氯化焙燒。
不過，高溫氯化焙燒的除雜效率受化學反應和擴散過程影響顯著。為提升除雜效率，魏嬌陽等人開發(fā)了基于氣氛調(diào)控的靶向氯化工藝，通過調(diào)控反應場的氣體組成或氧分壓，實現(xiàn)雜質(zhì)的定向氯化，強化雜質(zhì)組元的氯化反應；還開發(fā)了變壓快速氯化工藝，通過動態(tài)調(diào)控氯化爐內(nèi)氣流速度和壓強，強化氣體傳質(zhì)和雜質(zhì)擴散，大幅提升氯化除雜效率。
晶體結(jié)構(gòu)雜質(zhì)氯化反應過程
在高溫氯化過程中，石英砂間隙雜質(zhì)脫除效率高于晶格雜質(zhì)，劉慧陽等從原子層面解析了原因，即Al等晶格雜質(zhì)氯化過程伴隨著電荷補償?shù)膲A金屬離子等間隙雜質(zhì)的氯化脫除，但電荷補償離子由于與晶格雜質(zhì)化學作用較弱，因而氯化揮發(fā)時未必會導致晶格雜質(zhì)的脫除。
隨著高純石英砂氯化提純工藝的發(fā)展，微波氯化焙燒的研究逐漸增多。宋望峰將石英砂在NH4Cl摻雜量2%、900℃的條件下微波氯化焙燒2h，再由含氟混合酸在110℃條件下酸浸2h，石英砂中Al含量由738.8×10-⁶降至17.9×10-⁶。在微波場中，吸波性能較好的石英包裹體升溫速率大于石英基體，這促使包裹體因與基體溫差較大而熱爆裂，能夠為氯化反應的進行創(chuàng)造有利條件。
全球高新技術產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，高純石英在半導體、光伏等領域需求攀升，純度要求更高。熱處理法是高純石英提純的重要方式，其包含的高溫焙燒、微波加熱和氯化焙燒工藝相輔相成，有助于獲取高純石英。
然而，該方法面臨諸多挑戰(zhàn)。高溫焙燒和微波加熱在雜質(zhì)去除方面有提升空間，包裹體蝕坑易引入新雜質(zhì)；氯化焙燒工藝復雜，核心技術被美國尤尼明公司封鎖，其借此脫除Ti提升產(chǎn)品競爭力，而國內(nèi)對氯化焙燒機理、氯化劑和催化劑研究不足，技術發(fā)展受阻。
因此，加大對熱處理法，尤其是氯化焙燒工藝的研究力度刻不容緩，這對突破國外技術封鎖、實現(xiàn)我國高純石英提純技術自主發(fā)展意義重大。
參考來源：
[1]魏嬌陽,劉慧陽等.高純石英砂提純技術研究進展
[2]施婭穎,王小強等.高純石英的雜質(zhì)類型及深度提純技術研究進展
[3]武志超,張海啟等.高純石英應用及化學提純技術研究進展
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/九思)
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