石英砂焙燒-酸洗除雜工藝研究.pdf

1、高純石英砂作為重要的工業(yè)原材料，被廣泛用于太陽能光伏、微電子、光纖通訊等行業(yè)，高純石英砂對鐵、鋁、鈦、堿金屬等金屬雜質要求極為嚴格。鐵元素通常存在石英顆粒表面赤鐵礦、云母等含鐵礦相，鐵等過渡金屬會影響石英制品的光透過率和電導率;鈉、鉀、鈣等堿金屬通常賦存于雜質礦相和液固包裹體中，堿金屬雜質含量過高會降低石英制品的耐高溫性能，進而影響其熱穩(wěn)定性和光學特性。然而，大多對石英砂提純的研究集中在鐵雜質的去除上，對鋁、鋰等金屬雜質去除的研究較少。

2、鋁元素在石英砂中分布廣泛，往往是石英砂中含量最高的雜質元素。石英砂中鋁、鋰、鉻等雜質大部分存在于石英晶格中，很少存在于包裹體。鋁、鉻、鈦元素因為原子半徑與硅原子相近，容易取代硅原子存在于晶格中，鋰原子補償以補償形式存在于晶格。因此鋁、鋰等雜質較難去除，而鐵、鈉、鉀等金屬元素利用水洗、磁選、浮選、酸洗等物理、化學方法即可有效去除。目前常用除雜方法有磁選、酸洗、浮選、微生物法和絡合法等。酸洗法作為一種有效去除石英砂中金屬雜質元素的方法，往往

3、通過考察酸的類型、濃度、溫度、液固比等因素來研究雜質去除規(guī)律，取得了較好的提純效果。磁選僅能去除磁鐵礦、褐鐵礦等磁性雜質礦物;浮選法利用陰陽離子捕收劑與雜質礦相作用，達到除雜的目的;微生物法利用黑曲霉菌、青霉菌等微生物對石英砂表面進行浸除;絡合法則是運用絡合劑或具有絡合性的試劑與金屬雜質進行絡合反應，進而達到提純目的。以上方法在去除石英砂中雜質元素方面各有優(yōu)勢，但存在一定的局限性，只對石英砂顆粒表面暴露的雜質元素有效，對于晶粒內部夾雜的

4、雜質元素、氣液包裹體、替代和間隙類雜質去除效果不佳。
　　本研究主要內容包括：⑴結合磁選加混酸酸洗除雜工藝，并研究了酸洗反應動力學模型，對石英砂酸浸除雜進行理論指導。實驗結果表明鐵去除率隨著粒徑減小而增大，150～180μm石英砂磁選效果最好。通過研究不同酸洗組合，發(fā)現混酸（硝酸+鹽酸+氫氟酸）對鐵的去除效果最好，使用混酸（V酸∶V水=1∶1），90℃水浴反應360 min，石英砂中鐵去除率可達88.3％，鐵雜質含量下降為24.7

5、6 ppm，達到了精制石英砂的純度要求。利用液固多相未反應核模型擬合發(fā)現，石英砂的酸洗過程控速步驟為產物內擴散控制，計算得出反應激活能Ea=51.73 kJ/mol。⑵采用高溫焙燒-酸洗方法除石英砂鐵雜質，實驗結果表明，900℃焙燒最佳時間為180 min;焙燒后90℃水浴混酸酸洗1440 min，石英砂中鐵去除率可達85％，鐵雜質含量降為33.51 ppm。通過掃描電子顯微鏡(SEM)表征該方法處理前后石英砂形貌，結果表明處理后石英砂

6、表面出現明顯裂紋和蝕坑，有助于酸液浸入顆粒內部，提高雜質去除率。利用收縮未反應芯模型對實驗數據擬合，此時酸洗反應控速步驟為產物內擴散控制，焙燒處理后酸洗反應速度更快，活化能更低，鐵去除率更高。經900℃焙燒，保溫180 min處理石英砂，酸洗反應的活化能是30.88 kJ/mol，未焙燒酸洗反應活化能為36.18 kJ/mol，焙燒后活化能下降了17.2％，說明焙燒引起的晶型轉變有利于石英砂的酸洗。⑶使用高溫焙燒-酸洗法可有效提高石英砂

7、中鋁和其他雜質的去除效率。實驗結果表明，900℃焙燒60 min，使用混合酸（CHCl∶VNO3∶ VHF=3∶3∶1，V酸∶V水=2∶1）90℃水浴酸洗，鋁去除率最高為96.7％，鋁雜質含量降為40.9 ppm，鐵的去除率最高為87.7％，鐵雜質含量降到27.2 ppm，SiO2純度為99.98％，達到高純石英砂要求。通過未反應芯模型模擬對比發(fā)現，未經焙燒石英砂酸洗反應鋁去除率符合產物內擴散控制，但焙燒-酸洗反應鋁去除率曲線無法使用此