隨著技術(shù)的進步，高新產(chǎn)品對于原材料品質(zhì)的要求越來越高，石英砂產(chǎn)品局限于純度和粒度，一般只能作為玻璃或陶瓷的原材料，無法滿足新型行業(yè)要求高純超細(xì)的質(zhì)量要求，面對市場的巨大需求國內(nèi)外相繼開始了對于高純超細(xì)二氧化硅粉體的制備研究。現(xiàn)在高純超細(xì)硅微粉的制備一般包括化學(xué)合成法和天然礦物提純法，但是通過長期的研究發(fā)現(xiàn)化學(xué)合成法成本高產(chǎn)量低，無法滿足需求，而本研究也是利用天然脈石英制備高純超細(xì)硅微粉，這里只介紹礦物提純法的相關(guān)研究進展和應(yīng)用。
1 超細(xì)粉碎的研究
隨著現(xiàn)代高新技術(shù)和新材料的發(fā)展，超細(xì)粉碎技術(shù)在微電子、航空、特種陶瓷、耐火材料、復(fù)合材料、新能源和生物化工等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都發(fā)揮了重要的作用，已經(jīng)成為一種重要的原材料加工手段。
超細(xì)粉碎是通過對物料的沖擊、碰撞、剪切、研磨、分散等手段實現(xiàn)的。經(jīng)過 20 多年的發(fā)展我國的超細(xì)粉碎技術(shù)也有了很大的提高，不過大多數(shù)是通過引進吸收的方式。目前的超細(xì)粉碎設(shè)備有攪拌磨、振動磨、球磨機、氣流磨、壓輥磨、高速機械沖擊磨、膠體磨、行星磨等。國內(nèi)外一直致力于微米級礦物材料的研究，多為氣流式粉碎機。 利用天然石英礦物作為原材料制備超細(xì)粉體既是為了滿足市場需求，同時為更好的降低粉體中有害雜質(zhì)含量。
天然石英礦物中含有大量的包裹體和裂紋，利用超細(xì)粉碎技術(shù)可以大大的降低裂紋和缺陷的數(shù)量，再結(jié)合提純工藝可以更好的降低有害雜質(zhì)的含量。
以目前的粉碎技術(shù)而言， 天然石英礦物可以利用的設(shè)備有球磨機、攪拌磨、氣流磨、振動磨等。但是這些設(shè)備因粉碎過程中容易引入有害的雜質(zhì)而且一般很難將粉體的粒度粉碎至微米級，所以很難滿足高純超細(xì)粉體的制備。其中氣流磨是一種比較好的粉碎技術(shù)，如目前應(yīng)用最為廣泛的 JOM 型循環(huán)式氣流磨、流化床氣流粉碎機。
為了解決這些問題，張曉鐘等對石英砂超細(xì)粉碎粒度控制進行了試驗，利用振動磨加工超細(xì)粉石英進行了干濕工藝對比，認(rèn)為給料量及其均勻性、入料粒度配比對產(chǎn)品的粒度分布的影響較大；濕磨工藝效率高但介質(zhì)損耗大。
楊慧芬等研究了粉石英的超細(xì)粉碎及對其表面的改性，研究了磨料時間、球料比、固液比、攪拌強度對樣品質(zhì)量和性能的影響。郝保紅對粉石英的超細(xì)粉碎進行了研究，試驗表明，粉石英在干磨條件下粉碎粒度極限為 1.28μm，而濕磨條件下粒度極限 為 1.01μm。
李化建等對優(yōu)質(zhì)石英制備高純超細(xì)硅微粉進行了工藝研究，采用了振動磨和分級系統(tǒng)，生產(chǎn)出了滿足電子電工級和涂料行業(yè)要求的產(chǎn)品。
2 提純工藝的研究
國外早在 20 世紀(jì) 70 年代就開始研究利用石英礦物制備高純石英砂的技術(shù)，目前美國處于領(lǐng)先水平，其特點是工業(yè)化產(chǎn)量大、制備專業(yè)化、自 動化程度高、檢測水平高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。從天然巖石礦物中直接提純石英是目前世界上生產(chǎn)高純石英粉最先進的技術(shù) ， 到 90年代，Kemmochi和 Stato用普通石英加工成了高檔石英玻璃使用的石英粉。俄羅斯、日本和德國等基本上可以自給自足，除了巴西出口未經(jīng)加工的水晶原礦外，世界高純石英砂市場基本被美國尤尼明公司 （ UNIMIN Corporation）控制 。 尤尼明公司 的 “ IOTA” 商 標(biāo) 被 世界石英玻璃制造企業(yè)公認(rèn)為最著名的商標(biāo)，其純度被當(dāng)做國際標(biāo)準(zhǔn)純度，也是世界上其他廠家產(chǎn)品質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)。其產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展到了第六代，透明度為光學(xué)級，二氧化硅的含量目前正在由 99.9992%向99.9994%的方向發(fā)展。
我國的高純石英粉基本上通過水晶或水晶邊角料制得，水晶在我國的儲量有限，價格昂貴，質(zhì)地也不均勻，有些礦物雜質(zhì)和工藝過程中混合的雜質(zhì)無法去除，導(dǎo)致由水晶生產(chǎn)的高純石英粉產(chǎn)量小、質(zhì)量不穩(wěn)定。而且到目前為止，國內(nèi)還沒有徹底解決從天然巖石中提取高純石英粉的工藝技術(shù)問題，無法實現(xiàn)工業(yè)化。所以一方面是高新技術(shù)對高純石英粉的需求越來越 大 ， 另 一 方面是硅質(zhì) 原料提純技術(shù)的短板，導(dǎo)致對于高純硅微粉制備工藝的研究迫在眉睫。
對于天然礦物的提純由主要分為包裹體、裂紋和間隙、雜質(zhì)元素等幾種有害雜質(zhì)的去除，以下就從幾個主要方面來介紹提純研究的進展。
內(nèi)部缺陷的去除
對于天然礦物來說由于形成的條件各不相同，在礦物內(nèi)部的缺陷相差較大，其中以包裹體和裂隙中的雜質(zhì)差異尤為明顯，前文已有描述這里不再重復(fù)。在對天然礦物的提純中，文獻中的研究多通過水淬法利用石英晶體之間的晶型轉(zhuǎn)變引發(fā)巨大的體積變化，通過急速降溫從而導(dǎo)致礦物內(nèi)部的缺陷擴張，致使包裹體和裂隙中所包含的雜質(zhì)礦物暴露出來，為進一步提純提供條件。
鐵雜質(zhì)的去除
高純石英粉的品質(zhì)要求上對于雜質(zhì)總含量的要求極為嚴(yán)格，但是其中對于鐵和鋁元素的含量尤為苛刻。其中鐵質(zhì)在天然礦物中的賦存狀 態(tài) 基 本 有 五 種 形 式： ① 微 粒 狀 態(tài) 存 在 于 粘 土 或 高 嶺 土 的 長 石中；②氧化鐵薄膜狀態(tài)存在于石英顆粒表面；③鐵礦物或含鐵礦物；④擴散狀態(tài)存在于石英礦物內(nèi)部；⑤以固溶體狀態(tài)存在于石英晶體內(nèi)部。 根據(jù)鐵雜質(zhì)存在的不同形式，一般有一下幾種去除方法：
(１)篩分和分級
應(yīng)用領(lǐng)域的不同對石英粉的粒徑要求也不同，利用篩分和分級可以達到控制粒徑指標(biāo)。同時分級過程可以起到脫泥和降低鐵含量的作用，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)二氧化硅的含量隨石英粉粒度的降低而降低，鐵含量則相反。目前美國、日本等發(fā)達國家由于選礦工藝自動化程度高，采用水力旋流器進行石英砂分級處理，取得了很好的效果。
(２)擦 洗
擦洗就是通過機械力和礦物顆粒間的摩擦力去除礦物表面的 含鐵薄膜及雜質(zhì)礦物達到初步提純的目的。主要有機械擦洗、超聲波擦洗 和 棒 磨 擦 洗 等 ， 在 對 擦 洗 的 研 究 中 得 到 天 然 礦 物 在 磨 礦 擦 洗 后 ，F(xiàn)e2O3的含量從 0.19%降到 0.10%，去除率高達 47.4%。而蘇聯(lián)拉曼選礦廠的研究表明：超聲波-浮選-磁選工藝可以將鐵含量降至 0.1%，具有更好的除雜效果。
（3）磁選
磁選分為干式和濕式兩種，主要原理是通過高強磁場去除含鐵雜質(zhì)和具有磁性的雜質(zhì)礦物從而達到提純的目的 。 從相關(guān)文獻可以得知，隨著磁場強度的增加，雜質(zhì)去除率升高，但磁場強度增加到一定強度以后雜質(zhì)去除率不再有上升趨勢；含鐵雜質(zhì)的含量隨著磁選次數(shù)的增加而降低；礦物粉體的粒度越小除雜的效果越好。
（4）酸洗
由于 SiO2不溶于氫氟酸以外的酸，而其他礦物雜質(zhì)能被酸液溶解，利用這一特點，可以實現(xiàn)對石英礦物進一步提純的目的。天然石英礦物中含有鐵質(zhì)薄膜或以包裹體形態(tài)附著在石英顆粒表面時 就必須利用酸液來溶解這些有害成分，其他方式一般難以去除，所以在現(xiàn)有 的 提 純 工 藝 中 酸 洗 是無法替代的提純手段而且可以得到很 的 除雜效果。
通常酸洗利用硫酸、草酸、鹽酸和氫氟酸等。據(jù)資料得知，酸洗除雜的效果與酸液濃度、溫度和時間關(guān)系較大，其他因素影響較小。對于國內(nèi)的酸洗目前還處于試驗和小規(guī)模試生產(chǎn)階段，而國外早已形成了系統(tǒng)的酸浸理論，所制備的產(chǎn)品在品質(zhì)上也很穩(wěn)定。近年也出現(xiàn)了一些新興的提純工藝，如超聲酸洗法、微波酸洗法等在實驗室研究中取得了較好的實驗效果。
（5）微生物處理
微生物的種類繁多，在眾多的微生物中尋找到一種或多種物種，利用其分泌的代謝物溶解石英 礦物表面的有害雜質(zhì)成分達到提 純 的效果在國外的相關(guān)文獻上已多次提及，研究表明用多粘菌素桿菌、黑曲霉素、青霉、假單胞菌等培養(yǎng)液浸泡石英顆粒表面的含鐵薄膜時，取得了很好的去除效果 ， 其中黑曲霉素菌的氧化鐵去除率高達75%以上，也為高純石英微粉的制備提供了新的思路。
3 鋁雜質(zhì)的去除
石英礦物中包含的長石、云母或粘土礦物是鋁質(zhì)元素的主要來源，其中粘土礦物可以利用前述的擦洗方法去除，但是對于長石和云母礦物利用浮選工藝才能取得較好的去除效果。
浮選又分為有氟和無氟浮選兩種方式。常用的有氟浮選是利用硫酸為 pH 調(diào)節(jié)劑，DWBE 和 SHN 為混合捕收劑或者是使用氫氟酸為活化劑、胺類陽離子捕收劑的氫氟酸法以及 YS 或 SHN 為捕收劑的陰離子浮選法。
許多的研究發(fā)現(xiàn)有氟浮選可以很好的去除石英礦物中的長石，Schaper.E報道了德國某地石英礦以硫酸和氫氟酸為調(diào)整劑，兩段反浮選脫出重礦物及長石等雜質(zhì)。但是近年來環(huán)境問題日益浮現(xiàn)，為了減少 HF 的使用，無氟工藝得到了較大的發(fā)展。在 1976年美國 S.G.邁爾漢首先提出無氟浮選。據(jù)富田堅二等的研究可知，在硫酸或鹽酸介質(zhì)中，使用高級脂肪族銨鹽和石油磺酸鈉為混合捕收劑，可以很好的分離石英和長石。蚌埠玻璃設(shè)計研究院無氟浮選實驗也取得了成功，為我國選礦工業(yè)的發(fā)展做出了較高的貢獻.
4 其他提純方法研究
天然石英礦物中的雜質(zhì)元素多種多樣，要想去除不同的雜質(zhì)需要不同的方法。如電選法利用石英與雜質(zhì)礦物在電性能上的微小差別，選出微量的金屬雜質(zhì)礦物；熱爆裂法是將二氧化硅加熱到一定的溫度后礦物中的包裹體發(fā)生爆炸，是包裹體中的雜質(zhì)得以去除；熱氯化法可以去除石英礦物氣泡中的金屬包裹體。
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