高纯石英砂作为重要的工业原材料,被广泛用于太阳能光伏、微电子、光纤通讯等行业,高纯石英砂对铁、铝、钛、碱金属等金属杂质要求极为严格。铁元素通常存在石英颗粒表面赤铁矿、云母等含铁矿相,铁等过渡金属会影响石英制品的光透过率和电导率;钠、钾、钙等碱金属通常赋存于杂质矿相和液固包裹体中,碱金属杂质含量过高会降低石英制品的耐高温性能,进而影响其热稳定性和光学特性。然而,大多对石英砂提纯的研究集中在铁杂质的去除上,对铝、锂等金属杂质去除的研究较少。铝元素在石英砂中分布广泛,往往是石英砂中含量最高的杂质元素。石英砂中铝、锂、铬等杂质大部分存在于石英晶格中,很少存在于包裹体。铝、铬、钛元素因为原子半径与硅原子相近,容易取代硅原子存在于晶格中,锂原子补偿以补偿形式存在于晶格。因此铝、锂等杂质较难去除,而铁、钠、钾等金属元素利用水洗、磁选、浮选、酸洗等物理、化学方法即可有效去除。目前常用除杂方法有磁选、酸洗、浮选、微生物法和络合法等。酸洗法作为一种有效去除石英砂中金属杂质元素的方法,往往通过考察酸的类型、浓度、温度、液固比等因素来研究杂质去除规律,取得了较好的提纯效果。磁选仅能去除磁铁矿、褐铁矿等磁性杂质矿物;浮选法利用阴阳离子捕收剂与杂质矿相作用,达到除杂的目的;微生物法利用黑曲霉菌、青霉菌等微生物对石英砂表面进行浸除;络合法则是运用络合剂或具有络合性的试剂与金属杂质进行络合反应,进而达到提纯目的。以上方法在去除石英砂中杂质元素方面各有优势,但存在一定的局限性,只对石英砂颗粒表面暴露的杂质元素有效,对于晶粒内部夹杂的杂质元素、气液包裹体、替代和间隙类杂质去除效果不佳。在此基础上,本文提出了焙烧-酸洗提纯石英砂的工艺,进行了以下方面研究:(1)结合磁选加混酸酸洗除杂工艺,并研究了酸洗反应动力学模型,对石英砂酸浸除杂进行理论指导。实验结果表明铁去除率随着粒径减小而增大,150～180 μm石英砂磁选效果最好。通过研究不同酸洗组合,发现混酸(硝酸+盐酸+氢氟酸)对铁的去除效果最好,使用混酸(V酸:V水=1:1),90 ℃水浴反应360 min,石英砂中铁去除率可达88.3%,铁杂质含量下降为24.76 ppm,达到了精制石英砂的纯度要求。利用液固多相未反应核模型拟合发现,石英砂的酸洗过程控速步骤为产物内扩散控制,计算得出反应激活能Ea= 51.73 kJ/mol。(2)采用高温焙烧-酸洗方法除石英砂铁杂质,实验结果表明,900 ℃焙烧最佳时间为180 min;焙烧后90 ℃水浴混酸酸洗1440 min,石英砂中铁去除率可达85%,铁杂质含量降为33.51 ppm。通过扫描电子显微镜(SEM)表征该方法处理前后石英砂形貌,结果表明处理后石英砂表面出现明显裂纹和蚀坑,有助于酸液浸入颗粒内部,提高杂质去除率。利用收缩未反应芯模型对实验数据拟合,此时酸洗反应控速步骤为产物内扩散控制,焙烧处理后酸洗反应速度更快,活化能更低,铁去除率更高。经900 ℃焙烧,保温180 min处理石英砂,酸洗反应的活化能是30.88kJ/mol,未焙烧酸洗反应活化能为36.18kJ/mol,焙烧后活化能下降了 17.2%,说明焙烧引起的晶型转变有利于石英砂的酸洗。(3)铝是石英砂中主要杂质之一,跟铁杂质相比,由于铝杂质复杂的赋存状态使得普通除杂方法对其去除效果不佳。本文使用高温焙烧-酸洗法可有效提高石英砂中铝和其他杂质的去除效率。实验结果表明,900 ℃焙烧60min,使用混合酸(VHCl:VHNO3:VHF=3:3:1,V酸:V水=2:1)90℃水浴酸洗,铝去除率最高为96.7%,铝杂质含量降为40.9 ppm,铁的去除率最高为87.7%,铁杂质含量降到27.2 ppm,Si02纯度为99.98%,达到高纯石英砂要求。通过未反应芯模型模拟对比发现,未经焙烧石英砂酸洗反应铝去除率符合产物内扩散控制,但焙烧-酸洗反应铝去除率曲线无法使用此模型模拟。(4)石英砂的ICP-OES测试制样方法分为酸溶法和碱熔法。酸溶法消解缺乏统一的流程,实验中常存在消解不完全、微量元素测定不准确的问题;碱熔融法操作繁琐,容易引入杂质。探明此两种制样方法对石英砂ICP-OES测试结果的影响很有意义。本文分析对比了酸溶法和碱熔法对石英砂中铝、锆、镁等杂质元素检测结果的影响。由能谱分析可知,酸溶法中不溶颗粒相主要成分是氟、铝、锆、硅和镁杂质元素。实验结果表明,酸溶法制样会造成石英砂中铝、锆、镁杂质含量低于实际值,实验偏差大。碱熔法制样测得铝、锆、镁杂质含量明显高于酸溶法,经加标回收实验可知,碱熔法实验的回收率介于93.6%～116.3%之间,符合检测要求,但碱熔法存在检测限高、相对偏差较大的缺点。