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什么样的矿石能够生产高纯石英
添加日期:2021-10-13    阅读:208次

高纯石英是自然界产出的(如水晶)或由较纯净的石英原料加工而成的高品质石英,是半导体、高温灯管、通讯、精密光学、微电子、太阳能等高新技术产业生产所必需的原料。天然形成的高纯石英匮乏或极为有限(如水晶),为了得到高纯石英,常常是将自然界纯度较高的石英原料提纯成高纯石英。因此,对高纯石英原料的评价,以及对高纯石英原料赋存源岩和形成机制的研究,将有益于可持续地供给高纯石英原料、加工提纯高纯石英。

1、高纯石英原料综合评价

单靠化学成分来评判石英品质的优劣具有片面性,评价石英应综合考虑各种因素。就石英矿物本身而言,应考虑石英的化学成分、嵌布粒度、共生的脉石矿物、包裹体和晶格杂质这五个因素。

在评价石英原料时,首先要对石英原料SiO2的重量百分比、石英嵌布粒度、脉石矿物种类、包裹体的种类和数量以及石英晶格杂质多少进行研究和判断;然后再对石英原料的这5项指标进行等级评价(等级分abcd四等),综合判断。

例如,如果某一石英原料的5项指标中,获得的a越多,那么石英就越纯净,是理想的高纯石英原料;反之,石英原料不理想,需要经过复杂的工艺进行提纯。

当然,外部杂质可以比较容易地通过物理、化学处理等去除。内部杂质包括类质同象替代、气液包裹体、矿物包裹体三种赋存形式。石英中类质同象替代杂质和矿物包裹体杂质去除比较困难。石英中气液包裹体杂质可以通过加热爆裂-纯水洗涤加以去除,当然气液包裹体越大越容易爆裂,从而更容易地洗涤去除。

在实际的生产过程中,需要综合各方面因素,权衡利弊,综合评价。
    2
、高纯石英原料理想源岩

岩浆岩、沉积岩、变质岩以及热液脉体中都可能含有石英,不同地质成因岩石中石英的量和质不尽相同,提纯工艺和难度千差万别,工业用途也大相径庭。
   
1)岩浆岩
   
中酸性岩浆岩如花岗岩、闪长岩、流纹岩等是主要的富石英岩石,含有大量的石英。但是由于其他造岩矿物如长石、角闪石、云母等常与石英嵌布在一起,并不是很好的石英源岩。在实际生产中,常常选择白岗岩、伟晶岩和热液脉体作为提取石英原料的源岩,因为它们主要由石英组成,杂质矿物相对较少,便于分离和提纯。例如,矽比科公司(原美国尤尼明公司)生产的IOTA型高纯石英加工自美国北卡罗来纳州西部Spruce Pine的白岗岩(主要由浅色矿物组成,平均粒度约1.3cm)。张晔和陈培荣对比了美国SprucePine地区与新疆阿尔泰地区出露的伟晶岩,结果表明阿尔泰地区出露的部分伟晶岩的地球化学特征可与Spruce Pine地区的伟晶岩对比(如大离子亲石元素SrBa含量高,高场强元素和稀土元素含量低等),并推测这些伟晶岩可能源于花岗质岩浆经熔体-蒸汽高度分异作用产生的流体,因而晶出石英的杂质元素含量相对较低,据此为阿尔泰地区部分伟晶岩具有产出高纯石英的潜力。
   
2)变质岩
   
变质岩中包含众多含石英岩类,如糜棱岩、角闪岩、片麻岩、麻粒岩等。不过,这些岩石的中石英晶体的粒度大多是细粒的,并与其他造岩矿物紧密嵌布,并不是理想的石英原料。对于变质岩,常选择全岩SiO2含量较高,几乎由石英组成的岩石,如变质石英岩、部分的硅质板岩以及经变质作用分异的石英脉等。这些岩石或是经历了变质作用的改造,使部分原有的杂质元素迁移,从而提高了石英的纯度(如变质石英岩和硅质板岩);或是由杂质元素少的变质流体结晶形成(如变质脉体)。
   
例如,Müller et al研究了挪威北部蓝晶石石英岩,分析发现石英中的杂质元素含量低、流体包裹体缺乏、石英与其他矿物的颗粒边界多为平直面等优点。结合区域地质背景,作者推测退变质作用影响了石英原有微量元素组成。在退变质过程中,石英发生了晶格恢复,伴随着颗粒边界区缩小、晶界迁移的过程,这有利于愈合石英的晶格缺陷,将晶格中的杂质元素(如AlTi等)驱逐到颗粒边界或/和浓缩到包裹体中。

3)沉积岩
沉积岩是工业上二氧化硅原材料的主要供给岩石。在沉积岩中,相对较纯的含石英岩石包括沉积成因的石英砂和石英岩。沉积成因的石英砂通常形成于外动力地质作用强烈的环境,如风化强烈区域和海滩淘洗强烈地区;沉积成因的石英岩的化学纯度高,隐晶质和/或无定形的二氧化硅胶结物含量有所提升。除了上述提到的以石英为主要矿物组成的高纯石英原料岩石外,仍需对其他含石英岩石及其石英进行研究,综合评价其能否成为生产高纯石英的原料。这将有益于高纯石英原料的可持续供给。不同地质环境形成的相对纯净的石英,其化学纯度和杂质元素不尽相同,因此它们首选应用领域有差别。

3、高纯石英原料地质成因

一般地,石英的微量元素组成与石英结晶时熔体/流体性质和结晶后受到的后期改造(如构造变形、变质作用、热液交代等)有关。所以相对纯净石英可以在外界环境适宜,同时杂质少的熔/流体中直接结晶形成;如果一开始熔/流体形成石英的纯度、粒度等均不佳,也可以在后期的改造(如构造变形、变质作用、热液交代等)过程,通过晶格恢复、颗粒间界迁移等方式驱除杂质得以“净化”;当然,也可以形成于上述两种方式的叠加。

挪威北部的Nedre Øyvollen伟晶岩是优质的高纯石英原料,其产出的石英颗粒晶体大、纯度高且化学成分均一。化学成分测定表明,Nedre Øyvollen伟晶岩本身含有较低的杂质元素。Müller et al推断Nedre Øyvollen伟晶岩中性质优良的石英是直接从杂质元素相对较少的硅酸盐熔体中晶出的。

与之相似,美国尤尼明公司生产用于加工生产高纯石英的原料岩石是美国北卡罗来纳州西部Spruce Pine地区的白岗岩,其中较粗粒的石英晶体也可能源自杂质元素相对较少的高度分异演化的岩浆。

另外,挪威NesoddenKvalvik石英脉是具有提纯成高纯石英潜力的石英源,其化学纯度高,杂质元素少,推测晶出这些石英脉的热液流体本身的杂质元素就很少。当然,这两处石英脉与其他矿物嵌布,并包含包裹体和亚显微包裹体,这会增加提纯的难度。

石英在后期遭受的改造也可能使其纯度提高。例如,Van den Kerkhof and HeinMüller et al分别对挪威的麻粒岩(Bamble sector地区)和蓝晶石石英岩(地点广泛)研究后,都发现退变质过程形成石英晶体的化学纯度较高,杂质相对较少。这是因为原生的石英包含众多的点缺陷(置换原子和间隙原子),这会增加石英晶体的内能,使之处于热力学不稳定状态。而在退变质过程中,石英会以颗粒间界迁移的方式(重结晶过程)进行晶格恢复,逐步消除缺陷,驱除石英中的杂质元素。杂质元素会向晶界迁移或聚集形成包裹体。

此外,后期的动力扰动和热扰动也会使石英中的某些杂质元素去除。例如,Müller et al在研究芬兰的Sveconorwegian伟晶岩时,发现相对于未变形、未遭受热接触变质伟晶岩中的石英,发生糜棱岩化且遭受热接触变质的伟晶岩中石英的LiAl的含量相对更低,这表明后期的动力扰动和热扰动可以去除石英中的LiAl这两类杂质元素。不过,发生糜棱岩化和热接触变质伟晶岩中石英的TiGe含量相对提高(类似于将一种杂质元素转换成另一种杂质元素),这也会增加石英提纯的困难。

除了上述提到的两种主要石英“纯净”机制(从杂质少的熔体或流体中晶出、原有石英受后期改造)外,还需对其他有利于石英纯化的内动力和外动力地质作用进行研究,这不仅有益于找寻高纯石英原料,还会对石英原料的提纯加工有所启示和裨益。

4、杂质对高纯石英提纯的影响

石英理论化学组成是SiO2,但是在自然界不存在纯SiO2石英。石英或多或少都包含一些杂质元素(如AlTiKNaGe等),其种类和含量与晶出石英时的熔/流体和外界环境与结晶后受到的改造有关。

石英晶体中杂质含量及赋存状态,是决定石英晶体能否成为高纯石英的重要制约因素。结合工艺指标和商业价值综合评价高纯石英成矿潜力时,要综合考查石英矿物的嵌布特征、共存的脉石矿物和种类等。详细查明杂质元素在石英晶体内部的赋存状态、数量和分布特征,对于后续的矿物提纯加工和探讨其工业用途至关重要。

在提纯技术方面,在整个工艺流程中,经过焙烧水淬、磁选、酸浸工序,石英中杂质元素FeCrNiNaKCaMgCu等可以大幅度降低。但Al在经历一系列提纯工序之后,去除效果有限,这主要是因为Al3+进入晶格替代Si4+、而且离子半径也比较接近,不易提纯。类似的还有Ti4+B3+P3+等杂质元素。可见,天然石英内部的杂质,特别是以类质同像状态存在的杂质,直接制约着高纯石英产品生产,当原矿AlTiLiBP等杂质元素含量较高,就不易获得高纯石英。

来源:中国粉体技术网

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