高纯天然石英是生产透明石英玻璃、石英坩埚的原料，而影响天然石英质量的主要杂质有矿物杂质、元素杂质和气-液杂质，其中气-液杂质的含量是影响石英玻璃诸多性能的决定性因素，也是高纯石英除杂的重点和难点。
 
1、气-液杂质对高纯石英有哪些影响？
 
　　石英原料中气-液杂质的含量主要影响石英玻璃的透明度，由气-液杂质含量高的原料所熔制的石英玻璃会带有一些气泡和其他缺陷。气体和水共同作用会影响石英玻璃的软化温度、粘度、扩散系数、机械性能、分相和析晶性能等。
　　在所有的气体杂质中，水是最主要的杂质，尤其是高温水的含量对石英玻璃质量的影响最大，是造成石英玻璃中气泡、气线等缺陷的主要原因。
 
2、气-液杂质在高纯石英中的存在形式有哪些？
 
　　天然石英原料中的气-液杂质含量取决于其地质成因及提纯工艺。石英中的气-液杂质存在于石英颗粒的表面，以包裹体（宏观和微观）及分子形式溶解于固体石英中。
 

▲石英中的气液包裹体显微照片

　　水是天然石英中的主要气-液杂质，对水来说，有水分子和羟基2种存在方式，其中对于高纯石英玻璃质量影响最大的是天然石英中高温水（600～1400℃脱除的水称为高温水）的含量。
　　根据天然石英中高温水的含量可将天然石英分为3个级别:

（1）优级，高温水的含量小于20×10-6；
（2）1级，高温水的含量为（20～40）×10-6；
（3）2级，高温水的含量大于40×10-6。
 
　　当天然石英中高温水的含量高于80×10-6时，不能用来生产透明石英玻璃。
 
3、如何定量分析天然石英中的气-液杂质？

　　要想有效去除天然石英中的气-液杂质，就必须对其进行定量分析。目前，分析石英中气-液杂质含量的方法有透光度、红外光谱、气相色谱分析等，但这些方法不能测出所有的气-液杂质。
　　采用热动力解吸质谱分析法（装有离子气源和无油真空泵系统）则可以定量测出天然石英中各种气-液杂质的含量。
　　通过测试所得的数据，可以计算出不同温度下水在天然石英中的扩散系数，不仅能用来判断天然石英的质量，确定其能否用于生产透明石英玻璃，而且还可以根据计算出的水的扩散系数确定脱除天然石英中气-液杂质所需的工艺条件，由于计算公式过于复杂，在此不进行赘述。
　　对石英玻璃厂而言，通过对其石英原料中气-液杂质的测试，可以在不做工业实验的条件下直接判断该原料能否用来生产透明石英玻璃，大大减少选择天然石英原料的盲目性，提高石英玻璃生产的稳定性。
　　对于高纯石英生产企业来说，气-液杂质含量较高，不能用来生产透明石英玻璃的天然石英，能否根据热动力解吸的数据改进加工工艺，将其中的气液杂质脱除，用于生产透明石英玻璃，还需做深入研究和实验验证。
 
4、如何有效去除天然石英中的气-液杂质？

　　固体材料中气液杂质的脱除过程由扩散控制。脱除气液杂质的常用方法是在真空或通入一定介质（如：HCl、Cl2、O2）的条件下进行热处理。气-液杂质的脱除速度取决于温度、比表面积和气体在固体中的扩散系数。
 
（1）高温氯化脱气法
 
　　将石英砂加热到1000-1200℃并在高温的条件下通入Cl2和HCl气体，这种方法是利用在高温条件下Cl2和杂质离子发生反应，反应生成的气态盐类可以从石英晶体微裂纹处排出从而达到提纯的效果，这种方法对石英中的羟基有一定去除效果。
　　美国尤尼明公司在2006年利用高温氯化脱气法制备的高纯石英砂对气液包裹体的去除效果明显，其公司的IOTA系列高纯石英砂在全球处于绝对领先水平。
 
（2）差异腐蚀法
 
　　在酸或碱的腐蚀下，利用石英晶体与气液包裹体有着不同的腐蚀速率，从而达到去除气液包裹体的目的。这种处理工艺能有效的去除石英矿中气液包裹体，有的可以接近四级水晶的气液包裹体含量标准，但是当石英中气液包裹体去除到一定程度后继续增加差异强度，去除效果不再明显。
 
（3）热或冷爆裂法
 
　　当石英处于高温的条件下，石英基体与其中的气液包裹体界面产生极大的压力差使得气液包裹体爆裂，再经过清洗工艺可以达到去除气液包裹体的效果。高温下由于石英发生相转变可以使得石英中气液包裹体爆裂，爆裂后再经酸洗工艺可以有效去除气液包裹体。
　　在极冷的条件下，石英中气液包裹体的去除效果与气液包裹体自身的形状和大小有关系，一部分较大的气液包裹体容易爆裂从而去除，但是难以去除微小气液包裹体。
　　不同类型的石英矿在高温下的排气量不同，这其中排气量最大的为热液型石英。而且石英在受热转化为方石英时气液包裹体中碱金属离子含量对其有一定影响，包裹体中碱金属离子含量高而铝离子含量低时更容易转化为方石英从而更有利排出气液包裹体。
 
（4）微波-酸浸法
 
　　石英砂被微波场加热至600℃和900℃时，其气液包裹体的含量急剧下降，石英颗粒表面产生较多且更宽的微裂纹，大部分气液包裹体在微波场作用下爆裂并沿着微裂纹逸出。
　　这是由于石英砂在600℃和900℃时发生了相转变，此时石英砂体积迅速膨胀，促使其表面产生微裂纹，并可以使得一部分气液包裹体爆裂并沿着微裂纹逸出。
　　石英砂微波加热后，再采用混合酸浸进行处理，可有效降低气液包裹体含量，近似达到一级水晶水平。
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编辑整理：粉体技术网
 

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