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(zhì)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(dǎo)率;鈉、鉀、鈣等堿金屬通常賦存于雜質(zhì)礦相和液固包裹體中，堿金屬雜質(zhì)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(xué)特性。然而，大多對石英砂提純的研究集中在鐵雜質(zhì)的去除上，對鋁、鋰等金屬雜質(zhì)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(zhì)元素。石英砂中鋁、鋰、鉻等雜質(zhì)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(zhì)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(xué)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(luò)合法等。酸洗法作為一種有效去除石英砂中金屬雜質(zhì)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(zhì)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(zhì)礦物;浮選法利用陰陽離子捕收劑與雜質(zhì)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(luò)合法則是運用絡(luò)合劑或具有絡(luò)合性的試劑與金屬雜質(zhì)進行絡(luò)合反應(yīng)，進而達到提純目的。以上方法在去除石英砂中雜質(zhì)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(zhì)元素有效，對于晶粒內(nèi)部夾雜的

4、雜質(zhì)元素、氣液包裹體、替代和間隙類雜質(zhì)去除效果不佳。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴結(jié)合磁選加混酸酸洗除雜工藝，并研究了酸洗反應(yīng)動力學(xué)模型，對石英砂酸浸除雜進行理論指導(dǎo)。實驗結(jié)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(xiàn)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(yīng)360 min，石英砂中鐵去除率可達88.3％，鐵雜質(zhì)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(yīng)核模型擬合發(fā)現(xiàn)，石英砂的酸洗過程控速步驟為產(chǎn)物內(nèi)擴散控制，計算得出反應(yīng)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(zhì)，實驗結(jié)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(zhì)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(jié)果表明處理后石英砂

6、表面出現(xiàn)明顯裂紋和蝕坑，有助于酸液浸入顆粒內(nèi)部，提高雜質(zhì)去除率。利用收縮未反應(yīng)芯模型對實驗數(shù)據(jù)擬合，此時酸洗反應(yīng)控速步驟為產(chǎn)物內(nèi)擴散控制，焙燒處理后酸洗反應(yīng)速度更快，活化能更低，鐵去除率更高。經(jīng)900℃焙燒，保溫180 min處理石英砂，酸洗反應(yīng)的活化能是30.88 kJ/mol，未焙燒酸洗反應(yīng)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(zhuǎn)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(zhì)的去除效率。實驗結(jié)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(zhì)含量降為40.9 ppm，鐵的去除率最高為87.7％，鐵雜質(zhì)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(yīng)芯模型模擬對比發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)焙燒石英砂酸洗反應(yīng)鋁去除率符合產(chǎn)物內(nèi)擴散控制，但焙燒-酸洗反應(yīng)鋁去除率曲線無法使用此