1、什么是高纯石英砂
高纯石英砂是指SiO2含量大于99.9%的石英矿产品，是生产高档石英制品的原料，因其产品具有耐高温、耐腐蚀、低热膨胀性、高度绝缘性和透光性等优异的物理化学性质，广泛应用于光纤通讯、太阳能光伏、航空航天、电子及半导体等高新技术产业，战略地位十分重要。
表1 美国Unimin公司IOTA系列产品和挪威Crystallites AS公司HPQ石英砂化学成分
表2 江苏某石英公司高纯石英砂产品化学成分（ug/g）
2、什么是高纯石英原料
高纯石英原料是指那些能被现有成熟的矿物加工技术将其SiO2纯度提纯至99.9%及以上的天然石英矿物资源，提纯后的高纯石英砂满足现代高新产业使用效能的严格要求。
研究表明：规模大、品位高、品质好的高纯石英矿床有3个基本地质条件：
（1）硅源充足；
（2）无同期金属矿床伴生以保证硅源和矿石的纯度；
（3）动定相宜的构造环境以提供大规模硅质运移通道、稳定的压力一温度和充分的高纯石英结晶时间（P-T-t）以及足够的成矿空间。
水晶曾是主要的高纯石英原料，但国内资源储量仅为0.47亿吨，经过30多年的开采，已逐渐枯竭，不能满足高纯石英砂日益增长的需求，脉石英、石英岩和石英砂岩等逐渐替代水晶成为主要的高纯石英原料。
表3 不同成因类型的石英原料特点与优先应用领域
3、如何判定石英矿可作高纯石英原料？
在不同地质成因下形成的石英矿的矿物学特征存在明显差异，其矿物组成、嵌布粒度特征、晶体结构与晶格杂质、化学成分和杂质元素赋存状态直接影响矿石原料的质量。了解石英原料的工艺矿物学特征，详细查明矿石性质，是确定石英原矿品质、选矿提纯工艺方案和产品方向的基础。
（1）化学成分
化学成分是石英原料内各元素组成的集中体现，原矿中的杂质元素的含量高低对加工生产的高纯石英砂品质有关键影响，决定了产品经济价值和应用领域。
例如，石英玻璃是高纯石英砂的主要产品之一，其性能指标在一定程度上取决于熔制工艺，化学纯度就只与原料的纯度相关，若Al、B、P、碱金属元素和关键的过渡金属元素的含量超过要求，将影响熔体粘度并引起产品失透、高温变形、低软化点和光损耗等缺陷。
对高纯石英产品性能有害的微量元素，影响较大的12种元素为A1、B、Ca、Cr、Cu、Fe、K、Li、Mg、Mn、Na和Ni，查明这些有害元素的赋存状态类型和具体的存在形式，对于了解原料性质和选矿提纯的工艺设计都有重要指导意义。
表4 石英原料中微量元素常见的赋存状态
（2）矿物组成
对石英原料进行矿物组成分析，可推断石英矿的形成过程和方式，并根据脉石矿物的种类选择合适的选矿提纯方法。
化学成分中含有害杂质元素的独立矿物构成了石英原料中的脉石矿物，特别是一些铝硅酸盐矿物中碱金属元素和A1元素的含量较高（例如白云母），是杂质元素的主要载体矿物，这些矿物的种类、含量和粒度对石英原料的质量有严重影响。
长石、云母是石英原料中最常见的脉石矿物，其他脉石矿物则与矿石类型有关。
石英岩中还有锆英石、电气石、方解石、黄铁矿、褐铁矿、石榴子石等脉石矿物；石英砂岩中常见蛋白石、玉髓等胶结物，往往还含有电气石、磁铁矿、钛铁矿、赤铁矿、铁白云石和金红石等；脉石英中含有典型的热液矿物，萤石、铁质矿物等。
Qta-石英，Ms-白云母，Tur-电气石图1 江油某石英砂岩显微形貌照片
（3）嵌布粒度特征
不同类型的石英原料的嵌布粒度特征存在明显的差异，这与矿床成因密切相关。
如脉石英的嵌布粒度主要受成矿环境制约和岩浆活动影响，常常共生有白云母等铝硅酸盐矿物，这些矿物的嵌布粒度大小直接影响石英的单体解离度，当粉碎颗粒粒度小于后期石英脉宽时，脉石矿物才能从连生体中解离出来。
石英受成岩作用和变质作用改造强度越大，与其他矿物的嵌布粒度差异越明显，与白云母等脉石矿物的连生体类型也渐由毗邻型变为缝状、甚至包裹型，越不容易解离。
（4）包裹体特征
在石英晶体生长过程中，残余的热液组分或副矿物易混入形成包裹体，高压变质作用也可能导致子矿物包裹体（如金红石）的出溶形成。
包裹体本身可提供共生组合、温度和流体的化学成分等丰富的成矿信息，包裹体的分布、相态、均一温度和化学成分等特征可以区别不同成因的石英。
对于高纯石英原料来讲，包裹体类型和含量都对高纯石英砂的品质有显著影响，一方面构成了杂质元素的主要来源，另一方面也将改变石英工业原料的熔融行为。
a、b为偏光显微镜(正交光)下的显微形貌，c、d为扫描电镜下的石英微观形貌图2 青海某石英岩中包裹体形态特征
（5）晶格杂质
除脉石矿物和包裹体外，有少量杂质元素以类质同象形式赋存于石英晶体中，构成石英原料中的晶格杂质。
图3 微量元素在石英晶格中类质同象的结构示意图
在目前的高纯石英矿物加工过程中，晶格杂质几乎不能被除去，其含量高低决定了原料提纯潜力的极限。
（6）晶体结构
α-石英（低温石英）是地壳中分布最广的矿物之一，广泛存在于岩浆岩、沉积岩和变质岩中。α-石英晶体结构属三方晶系，这种晶体结构在常压且温度低于573℃的情况下，都能够稳定存在，几乎是唯一的高纯石英矿物的来源。
（7）热效应特征
石英的热学性质是晶体结构、化学成分和包裹体特征等在温压变化过程的具体表现，对石英原料进行热分析不仅有利于查明矿物学特征，对于后期加工也有重要意义。
4、高纯石英原料的判定标准
（1）普通石英原料
对于普通石英原料（w（SiO2）<99.9%）来讲，脉石矿物种类和含量与矿物间的嵌布粒度特征的影响较为显著。
这种影响常见于脉石矿物与石英之间，若脉石矿物嵌布粒度越微细均匀，则石英单体解离的难度越大，选矿提纯的难度也越大。
例如微细白云母在青海石英岩中的均匀镶嵌，即便原矿SiO2含量较高，但在高纯石英砂的粒度要求内，白云母难以完全分离。
当石英晶粒尺寸达到伟晶（d>5mm)以上时，脉石种类和含量的影响迅速减弱，例如在花岗伟晶岩中，虽然脉石矿物种类和含量较多，但石英晶粒尺寸粗大，在磨矿过程中易于相互解离，脉石矿物在很大程度上可以被选除，白岗岩作为尤尼明公司IOTA系列高纯石英砂产品的主要矿源，深度加工后得到的IOTA-8杂质元素总含量不超过8ug/g，并在高纯石英砂市场中独占鳌头。
（2）高纯石英原料
在高品级的高纯石英原料中（w（SiO2）<99.9%），杂质元素的含量处于较低水平，此时，包裹体和晶格杂质是主要的杂质来源，对原料性质的影响最为关键。
不同成矿条件下形成的脉石英，其包裹体的相态、数量和分布特征不同，可以分为已破坏、稀疏分布、密集分布、含较多矿物包裹体，在特殊情况下还需要进行化学的定量分析，通过细磨和锻烧作用后，可以去除大部分包裹体杂质。
但在目前的高纯石英矿物加工过程中，晶格杂质儿乎不能被除去，其含量高低决定了原料提纯潜力的极限。
（3）石英原料评价指标
在实际的分析测试中，化学成分、嵌布粒度、脉石矿物、包裹体和晶格杂质是高纯石英原料评价的主要因素。
吴逍等按对石英原料的影响程度从小到大分为a、b、c、d四个等级，得到高纯石英原料的评价指标，其中脉石矿物的评价指标主要考察矿物种类，其含量与化学成分中w（SiO2）指标呈负相关。
表5 高纯石英原来的评价指标（来自：高纯石英原料选择评价及提纯工艺研究）
当石英原料具有3个及以上指标达到a级时，可以推荐为高纯石英原料。从高纯石英原料产出的地质条件来看，相较于外生矿床，更容易产出于稳定地质条件的内生矿床，特别是岩浆高度结晶分异的花岗伟晶岩及其岩脉中。
5、如何把你的石英原料变成高纯石英？
不同石英原料的矿石性质差异较大，其矿物学特征决定具体的选矿工艺条件。
目前，工业上成熟应用的石英提纯传统工艺有分级、擦洗、锻烧-水淬、磨矿、筛分、磁选、重选、浮选、酸浸、高温脱气等，深度提纯工艺有氯化焙烧、辐照色选、超导磁选、高温真空法、高温掺杂提纯法、煅烧-酸淬法、微波爆裂法、超声波分散提纯法等。
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