中國粉體網訊 在高純石英提純中，熱處理法憑借其獨特的工藝和顯著的效果，成為研究和應用的重點方向。熱處理法主要包括高溫焙燒、微波加熱和氯化焙燒3種工藝，每種工藝都在高純石英提純過程中發揮著重要作用。
高溫焙燒和微波加熱作為傳統的熱處理工藝，常被用于石英提純過程中的預處理除雜。高溫焙燒法的原理是通過焙燒石英，使包裹體達到均一溫度，并持續加熱至包裹體的內部應力超出石英承受限度而爆裂，后續再用酸溶解這些包裹體雜質。在這個過程中，高溫焙燒會使石英因相變而體積膨脹，導致石英表面產生裂紋。繼續水淬能使裂紋加深且增多，這不僅促進了更多雜質暴露，方便后續酸浸去除，而且煅燒后石英因材質變脆，其碎磨的成本也得到降低。
胡祥琳等將浮選后的石英在900℃下焙燒7h后水淬，活化石英表面，增加了石英與酸液作用的活性位點暴露程度，酸浸后得到的石英砂中SiO2含量可達99.995%。
微波加熱則是一種內部加熱方式，所加熱材料的介電常數和極性越大，吸波能力越強，也就越容易加熱。像磁鐵礦等礦物雜質吸波能力較強，屬于極其活躍的礦物，包裹體雜質以及晶格雜質也能夠吸波，而SiO₂相對不活躍。
Hou等研究顯示，當微波加熱石英砂至600℃時，氣液夾雜物界面會出現裂紋，增大微波功率加熱石英砂至900℃時，大多數氣液夾雜物可以得到去除。由于石英在870℃時的晶型轉化會導致較大的體積膨脹率，所以高溫焙燒和微波加熱的溫度一般控制在900℃左右，并且常作為石英酸浸的前置工藝。
氯化焙燒由于能夠有效去除晶格雜質，成為石英深度提純的關鍵技術手段。它是在焙燒石英時通入氯化氫氣體等氯化劑，使石英雜質轉化為氣相或凝聚相的氯化物，從而脫離原有礦物體系。根據焙燒溫度和產物形態的差異，氯化焙燒可細分為中溫焙燒（氯化焙燒-浸出法）、高溫焙燒（氯化揮發法）和氯化-離析三種類型。
中溫氯化焙燒時，反應生成的氯化物會留于石英砂中，需由后續的酸浸去除。比如林敏以NH4Cl-H2SO₄浸出體系提純后石英為原料，在900℃下摻雜2‰KCl焙燒45h，再熱壓酸浸4h，所得石英SiO2含量達99.997%，總雜質元素去除率達70.4%。高溫氯化焙燒則是在高溫下，反應生成的氯化物以氣體的形式逸出體系。
潘俊良在焙燒溫度900℃條件下，使用流速為600mL/min的Cl₂對石英砂進行60min的氯化焙燒，樣品雜質含量由29.4×10-⁶降至23.3×10-⁶。
婁陳林等通過高溫氯化提純石英砂，發現干燥HCl、Cl₂或Cl₂/HCl混合氣均對Na、Fe、K等金屬雜質有明顯去除效果，其中干燥HCl氣體的提純效果較好。氯化-離析法是在高溫氯化的基礎上加入還原劑，將金屬雜質離子還原為金屬單質，然后通過物理選別去除。在工業生產過程中，一般采用HCl氣體進行高溫氯化焙燒。
不過，高溫氯化焙燒的除雜效率受化學反應和擴散過程影響顯著。為提升除雜效率，魏嬌陽等人開發了基于氣氛調控的靶向氯化工藝，通過調控反應場的氣體組成或氧分壓，實現雜質的定向氯化，強化雜質組元的氯化反應；還開發了變壓快速氯化工藝，通過動態調控氯化爐內氣流速度和壓強，強化氣體傳質和雜質擴散，大幅提升氯化除雜效率。
晶體結構雜質氯化反應過程
在高溫氯化過程中，石英砂間隙雜質脫除效率高于晶格雜質，劉慧陽等從原子層面解析了原因，即Al等晶格雜質氯化過程伴隨著電荷補償的堿金屬離子等間隙雜質的氯化脫除，但電荷補償離子由于與晶格雜質化學作用較弱，因而氯化揮發時未必會導致晶格雜質的脫除。
隨著高純石英砂氯化提純工藝的發展，微波氯化焙燒的研究逐漸增多。宋望峰將石英砂在NH4Cl摻雜量2%、900℃的條件下微波氯化焙燒2h，再由含氟混合酸在110℃條件下酸浸2h，石英砂中Al含量由738.8×10-⁶降至17.9×10-⁶。在微波場中，吸波性能較好的石英包裹體升溫速率大于石英基體，這促使包裹體因與基體溫差較大而熱爆裂，能夠為氯化反應的進行創造有利條件。
全球高新技術產業蓬勃發展，高純石英在半導體、光伏等領域需求攀升，純度要求更高。熱處理法是高純石英提純的重要方式，其包含的高溫焙燒、微波加熱和氯化焙燒工藝相輔相成，有助于獲取高純石英。
然而，該方法面臨諸多挑戰。高溫焙燒和微波加熱在雜質去除方面有提升空間，包裹體蝕坑易引入新雜質；氯化焙燒工藝復雜，核心技術被美國尤尼明公司封鎖，其借此脫除Ti提升產品競爭力，而國內對氯化焙燒機理、氯化劑和催化劑研究不足，技術發展受阻。
因此，加大對熱處理法，尤其是氯化焙燒工藝的研究力度刻不容緩，這對突破國外技術封鎖、實現我國高純石英提純技術自主發展意義重大。
參考來源：
[1]魏嬌陽,劉慧陽等.高純石英砂提純技術研究進展
[2]施婭穎,王小強等.高純石英的雜質類型及深度提純技術研究進展
[3]武志超,張海啟等.高純石英應用及化學提純技術研究進展
(中國粉體網編輯整理/九思)
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