高纯石英砂中杂质去除工艺研究与提纯效率优化

摘要

高纯石英砂是一种重要的非金属矿产原料，广泛应用于光伏、半导体、光纤通信等高技术领域，对其纯度等级和杂质含量提出极高要求。原生石英矿中常含有铁、铝、钛等杂质元素，这些杂质的存在严重影响了石英砂的纯度及其在高端领域的应用性能。为满足电子级和光伏级应用需求，需对石英砂进行系统化提纯处理。本文从石英砂中杂质的存在形式出发，系统评述了当前常用的物理选矿、化学清洗与复合提纯工艺的基本流程与适用场景，并进一步探讨了影响提纯效率的关键控制参数，如浸出时间、酸碱浓度、处理温度等。在此基础上，提出了多种工艺协同强化路径与自动化优化策略，为高纯石英砂的高效清洗与大规模生产提供理论依据与工艺支持。

关键词

高纯石英砂；杂质去除；酸浸工艺；提纯效率；强化手段；自动化控制

1 引言

高纯石英砂作为现代工业中重要的基础性原材料之一，其纯度水平直接决定了其应用领域的技术等级。目前，纯度在99.99%以上的高纯石英砂主要用于半导体基材、光伏玻璃、光纤材料等对杂质控制极为严苛的领域，要求SiO₂含量大于99.99%，Fe、Al、Ti等杂质总量小于几十ppm甚至更低。由于自然界中石英矿物多呈复合共生状态，常伴随少量含铁、铝、钛等杂质矿物，且部分杂质呈微细包裹或晶体嵌入形式存在，使其提纯难度较大。本文旨在从石英砂中杂质类型及其存在状态出发，系统评析现有主流提纯工艺的原理与效果，重点研究影响杂质去除效率的关键控制参数，并结合现代物理场强化技术及智能控制手段，探讨提升提纯效率的系统性优化策略，以期为相关企业和科研机构在石英砂深加工方向提供理论与实践支持。

2 高纯石英砂的性质及杂质类型分析

2.1 高纯石英砂的用途及质量要求

高纯石英砂因其优异的热稳定性、电绝缘性和极低的杂质含量，被广泛应用于高端制造行业，尤其在半导体、航空航天、光电子、新能源等领域具有不可替代的重要地位。随着“光伏+半导体”战略新兴产业快速发展，光伏玻璃基板、太阳能硅片、电子级硅晶圆等对高纯石英砂提出了更高质量要求。

在具体质量指标上，不同应用场景对应的纯度等级有所差异。光伏用石英砂一般要求SiO₂质量分数≥99.995%，Fe₂O₃含量≤20 ppm；而用于半导体领域的电子级石英砂则要求SiO₂含量≥99.999%，Fe、Al、Ti等金属杂质合计不超过10 ppm。这一标准远高于普通玻璃级或陶瓷级石英砂，对选矿与提纯工艺提出了极高的技术挑战。

为满足上述要求，需从矿石选择、粗加工、深度提纯、杂质分析等多个环节入手，构建完整的质量保障与工艺优化体系，其中“杂质高效去除”是核心技术壁垒所在。

2.2 石英砂中主要杂质元素的分布特征

高纯石英砂中主要有害杂质元素包括铁（Fe）、铝（Al）、钛（Ti）、锂（Li）、钠（Na）等。这些杂质可能以以下三种形式存在于石英中：机械混入（附着于石英颗粒表面）、裂隙填充（填充于矿物缝隙中）和晶格嵌入（以离子替代方式进入石英晶体结构）。

其中，Fe主要以赤铁矿、褐铁矿等形式存在，部分以Fe³⁺形式嵌入石英晶格，常呈点状分布或形成微细颗粒包裹在石英内部。Al和Ti则大多以高岭土、金红石、绿泥石等矿物共生存在，难以通过单一物理方法完全剥离。钠、钾等碱金属杂质则多以微量元素形式广泛分散于石英体内或表面活性点，去除难度大、反应效率低。

这些杂质的存在不仅会影响石英砂在高温条件下的化学稳定性，还会引发热膨胀不均、电导异常等问题，导致材料性能退化，因此在工艺设计上必须针对其存在方式采取多重联动措施。

3 常见提纯工艺流程及其适用性分析

3.1 物理分选法的工艺特点与局限性

物理分选法主要依赖石英砂与杂质在物理性质方面的差异，如比重、磁性、电导率等，常用工艺包括擦洗、分级、磁选、重选与浮选等。擦洗与分级主要用于去除附着在石英颗粒表面的泥质和粘性杂质，通过机械搅拌和水力冲洗，可实现对大颗粒脉石矿物的初步剥离。磁选则利用强磁或超强磁场，去除铁、钛等磁性矿物，尤其对含赤铁矿、钛铁矿的原料具有较好效果。

但物理法在杂质深度去除方面存在明显局限。一方面，它难以去除微细颗粒包裹物或晶格嵌入杂质；另一方面，对非磁性、有害微量元素如Al、Na、K的去除效率较低，无法满足电子级或光伏级高纯石英的提纯标准。因此，物理法通常作为提纯系统的预处理环节，为后续化学法奠定基础。

3.2 化学提纯法（酸浸、碱洗等）对杂质去除效果分析

化学法是目前高纯石英砂提纯中最常用也是效果最显著的手段。酸浸法是其中的核心工艺，常用酸种包括盐酸（HCl）、硝酸（HNO₃）、氢氟酸（HF）及其混合酸体系，能够有效溶解铁、铝、钛等金属杂质。HF尤其对晶格型Al、Ti具有较强活化与络合能力，但其毒性强、腐蚀性大，使用时需严格控制操作条件。

不同酸体系针对的杂质种类和反应路径各有差异。例如，HCl适用于Fe³⁺的溶解，HF则可有效打破石英晶格中的Si–O–Me（Me为金属）结构。多段酸浸与多种酸协同使用，可提高杂质清除率，但也增加了成本与处理复杂度。

碱洗则用于去除碱性杂质及黏土类矿物，如高岭土、绿泥石等。常用试剂包括氢氧化钠、碳酸钠等，可破坏胶结结构，使颗粒更易分离。但碱性处理一般配合酸洗使用，以中和杂质反应产物并改善矿物表面状态。

化学法的优点是去除效果彻底、适用面广，但存在反应时间长、副反应复杂、废液处理成本高等缺点。因此，需要在流程设计中综合考虑其与物理法、复合法的协同路径。

4 提纯效率优化策略与关键控制参数研究

4.1 提纯过程中温度、时间与浓度参数调控机制

提纯效率的高低直接受温度、时间与试剂浓度等工艺参数的影响。温度升高有助于加快化学反应速率，提高杂质浸出效率，但也会加剧酸碱对设备的腐蚀，因此需在反应速率与设备寿命之间权衡选择。一般来说，酸浸最佳反应温度控制在60～80℃之间，过高可能导致硅骨架结构溶解，影响石英质量。

反应时间决定了杂质与浸出剂的接触程度，时间过短则提纯不足，过长则易造成硅溶损与成本升高。通常，酸浸时间控制在1～3小时为宜，具体依赖于原料的粒度、杂质含量及酸液浓度。

酸碱浓度是影响浸出速率与选择性的核心变量。HF浓度的提升可显著加快Al、Ti的去除速率，但也会导致安全隐患和成本增加；因此，常采用稀HF配合辅助试剂（如EDTA、柠檬酸）进行协同络合，以降低HF使用量、提高浸出效率。

4.2 微波、超声等强化手段在提纯中的协同效应

近年来，物理强化技术在提纯工艺中得到广泛关注。微波加热通过电磁波对物料的极性分子进行激发，加速分子运动，提高反应活性；超声波则通过空化效应破坏矿物表面结构，增加比表面积，促进浸出剂的扩散与反应。

在石英砂提纯中，微波–酸浸耦合工艺可使杂质在更短时间内被溶出，特别适用于含量较低但赋存深的晶格型杂质；超声–酸洗协同则能提高表面杂质剥离效率，缩短擦洗时间并降低酸耗。

此外，等离子体预处理、水热处理、碳热还原等方式也逐步应用于高纯石英提纯过程中，为提升杂质响应性与去除深度提供了新路径。未来，将物理场与化学反应深度融合、建立协同强化机制，将成为提纯技术的重要发展方向。

5 结语

高纯石英砂因其在电子、光伏和新材料领域的重要地位，成为现代工业体系中的战略性基础原料。本文围绕其杂质赋存特性、主要提纯工艺及优化路径展开研究，指出不同杂质形态对提纯方式的选择具有决定性影响，并系统梳理了物理法、化学法及复合法的适用范围和工艺特点。未来，应进一步加强高端装备国产化与绿色提纯技术研发，构建“高效、清洁、智能”的高纯石英砂提纯技术体系，推动我国在高端非金属材料领域实现自主可控与高质量发展。

参考文献

[1] 周正超, 刘梦琪. 高纯石英砂杂质去除机理及清洗技术研究[J]. 无机盐工业, 2022(05): 41–45.
[2] 邹宏伟, 张士峰. 高纯石英提纯工艺进展及自动化控制技术探析[J]. 矿产保护与利用, 2021(09): 78–82.