摘要:對當前酸浸酸洗等酸處理工藝進行了歸納,并從理論基礎到實際應用方面進行分析,羅列了酸處理提純工藝的方案。
高純石英砂所具有的獨特的物理、化學特性,使得其在航空、航天、電子、機械以及當今飛速發(fā)展的IT產(chǎn)業(yè)中占有舉足輕重的地位,特別是其內(nèi)在分子鏈結構、晶體形狀和晶格變化規(guī)律,使其具有的耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、高度絕緣、耐腐蝕、壓電效應、諧振效應以及其獨特的光學特性,使其廣泛應用于高純石英玻璃制品、半導體技術、SiO2薄膜材料、原子能、光纖通信電纜材料以及國防科技技術等各領域。
我國對石英玻璃原料的研究于20世紀90年代開始起步。經(jīng)過諸多科研院所和生產(chǎn)企業(yè)的常年研究和技術積累,現(xiàn)在石英砂生產(chǎn)企業(yè)猶如雨后春筍般地逐漸多起來了。但時至今日,大多數(shù)企業(yè)的石英砂純度級別也就在4N級別左右,能做到5N級別的廖若晨星,相當一部分數(shù)量的高純石英砂仍然需要依靠進口。造成這種狀況的原因,除了高品位原料礦石逐漸減少的先天因素外,提純技術的有待改進,也是很重要的因素之一。
波濤石英砂廠家常年關注高純石英砂行業(yè)的生產(chǎn)技術進展和生產(chǎn)工藝的變化,對于高純石英砂生產(chǎn)中的酸浸提純工藝,有一些自己的感受和體會。本文通過對酸浸提純工藝的探討,希望能起到拋磚引玉的作用,共同為提高高純石英砂的品質(zhì)努力。
眾所周知,高純石英砂的生產(chǎn)工藝大同小異,一般都經(jīng)過選礦、破碎、磁選、酸處理(酸沒和酸洗)、浮選、壓濾、烘干、分級包裝等過程,不同企業(yè)先后順序或有不同,有的企業(yè)還加入焙燒、水淬、濕磨、氯化、高純水洗、真空脫羥等工序,不一而同。而其中酸浸提純工序,是很重要的一環(huán)。
一、石英砂中的關鍵雜質(zhì)
1、石英砂中的雜質(zhì)元素
衡量高純石英砂純度高低的直接指標是原料中堿金屬、關鍵的過渡元素,鋁及硼的含量。根據(jù)不同用途的石英玻璃產(chǎn)品對其要求也不同,所以在研究石英提純技術之前,需要對要控制的主要雜質(zhì)元素有所了解。
1.1 堿金屬元素,包括:鉀(K)、鈉(Na)、鋰(Li)。
堿金屬氧化物在石英玻璃結構中具有較強的“斷網(wǎng)”作用。石英玻璃在高溫狀態(tài)下,通常出現(xiàn)的柝晶、變形等現(xiàn)象,都是與微量的堿金屬助溶作用有關。
1.2 過渡金屬元素,包括:銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、鋅(Zn)。
過渡金屬元素都有多種氧化態(tài),常呈一定顏色,對高純石英玻璃質(zhì)量的影響特別嚴重。若微量過渡元素溶解或溶入硅溶體,能較壞的誘生導電性,對儀器的可靠性和預見性起到負面作用,還能使石英玻璃產(chǎn)生色斑或引起高溫變色,影響光的透過率。
2、石英礦中的鐵雜質(zhì)
經(jīng)驗表明,鐵雜質(zhì)在石英礦中的賦存狀況,決定了是否可將它們?nèi)コ某潭。鐵雜質(zhì)在石英礦的賦存狀態(tài)可分為五種形式:
2.1 存在于細粒粘土礦物中
粘土是由長石、石灰石、頁巖等風化而成。粘土的成分含有云母、石英、褐鐵礦、綠泥石、方解石和角閃石混合物的硅酸鹽,其粒度很細,主要是由10微米以下的顆粒組成。
2.2 存在于重礦物中磁性礦物中
重礦物指比重大于2.9的礦物,這些礦物中大部分都具有磁性或弱磁性,鐵是這些礦物中的基本組成元素。
二、用于酸處理的常用酸種類
1、鹽酸(氯化氫):
又名氫氯酸,分子式:HCl,性狀:無色透明液體,含雜質(zhì)的鹽酸呈微黃色。比重:1.19,有較強的刺激性和腐蝕性,具有毒性。
氯化氫是無色而有刺激性氣味的氣體,分子式:HCl,氯化氫的水溶液呈酸性,叫做氯化酸,習慣上叫鹽酸。氯化氫與水不反應但易溶于水,空氣中常以鹽酸煙霧的形式存在。干燥的氯化氫與鋅、鎂、鐵等較活潑的金屬以及大多數(shù)金屬氧化物都不能反應。但濕的氯化氫氣體的化學性質(zhì)卻相當活潑,能與上述金屬及氧化物發(fā)生反應。
2、草酸
又名乙二酸,修酸,是較簡單的二元酸。分子式:H2CO4,分子量:90.04,無色單斜片狀或棱柱體結晶或白色粉末?勺鳛橐环N絡合劑、掩蔽劑、沉淀劑或還原劑?捎糜诔恋礅}、鎂、釷和稀土元素。常見的草酸鹽有草酸鈉、草酸鉀、草酸鈣、草酸亞鐵、草酸銻和草酸氫銨等。
三、酸處理提純的機理與工藝
去除石英砂中雜質(zhì)的初步工藝可采用水洗、重選、磁選及浮選等方法。但對于生產(chǎn)高純石英砂來說,去除薄膜鐵是個很重要的問題。去除薄膜鐵的方法,主要有搓洗、超聲波清洗及酸洗等方法,而較常用和較有效的方法是酸洗。
酸處理目的是消除一些難溶于水而溶于酸的雜質(zhì)礦物,如金屬氧化物或細小的硅酸鹽礦物。通常使用鹽酸、硝酸、硫酸和氫氟酸組成的混合酸,其體積比,應根據(jù)原料表面污染情況,并通過實驗而定,酸處理還對消除粉體表面的包裹體有一定作用,且升高溫度時的效果更好。
四、酸浸法提純工藝及參數(shù)
1、鹽酸法
將經(jīng)洗凈過的石英砂加入濃度為18%的鹽酸溶液中,鹽酸用量為石英砂重量的5%。然后加溫至80-90℃處理2-3小時,后經(jīng)過濾和干燥。
2、氣態(tài)氯化氫法
將洗凈后的石英砂置于反應釜中,加熱至80℃,再送入氯化氫氣體,處理15分鐘,然后用清水洗凈,氯化氫與氧化鐵的作用產(chǎn)物FeCl3可溶于水而被除掉。
五、影響雜質(zhì)浸出速度的主要因素
1、酸濃度
雜質(zhì)浸出速度隨酸的濃度增加而增加,但濃度過大,不僅會增加不希望溶解的組分,而且也會增加成本。
2、石英砂的量
雜質(zhì)浸出速度通常是隨石英砂的量減小而增加,因為這樣能保證溶液中雜質(zhì)浸出濃度始終較低,有利于加快浸出速度。所以用大量的酸去處理少量的石英砂,可提高雜質(zhì)浸出速度,當然也要考慮到成本和效益因素。
六、結束語
我國不同的行業(yè)對石英砂中SiO2純度和雜質(zhì)元素含量的要求不一樣,生產(chǎn)高純石英砂的原料礦石不同,選擇的酸處理工藝不同,對產(chǎn)品品質(zhì)的影響也不盡相同。在選擇高品位原料礦石的基礎上,選擇合適的酸處理工藝,可有效減輕其他工序如浮選、磁選等的壓力,并能有效提高最終產(chǎn)品的品質(zhì)。