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(yīng)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(yù)處理除雜,。高溫焙燒法的原理是通過焙燒石英，使包裹體達(dá)到均一溫度,，并持續(xù)加熱至包裹體的內(nèi)部應(yīng)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(dǎo)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(dá)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(dāng)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(dǎo)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(guān)鍵技術(shù)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(xì)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(yīng)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(dá)99.997%,，總雜質(zhì)元素去除率達(dá)70.4%,。高溫氯化焙燒則是在高溫下，反應(yīng)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(chǔ)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(xué)反應(yīng)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(yīng)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(yīng)；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(yīng)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(xué)作用較弱，因而氯化揮發(fā)時未必會導(dǎo)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(yīng)的進行創(chuàng)造有利條件,。
全球高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，高純石英在半導(dǎo)體,、光伏等領(lǐng)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(fù)雜,，核心技術(shù)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(shù)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(shù)封鎖、實現(xiàn)我國高純石英提純技術(shù)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(shù)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(shù)研究進展
[3]武志超,張海啟等.高純石英應(yīng)用及化學(xué)提純技術(shù)研究進展
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/九思)
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