本發(fā)明涉及高純石英砂材料制備領(lǐng)域，具體來講，涉及一種焙燒法去除石英晶格雜質(zhì)制備的高純石英及制備方法。
背景技術(shù)：
1、高純石英是半導(dǎo)體、光通訊、光伏等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基石材料，其純度直接決定終端產(chǎn)品的性能與良率。隨著產(chǎn)業(yè)升級，對石英純度（如sio2質(zhì)量百分含量>99.998%）的要求日趨嚴(yán)苛。在此背景下，晶格雜質(zhì)已成為制約高純石英品質(zhì)跨越的最后、也是最難攻克的關(guān)鍵瓶頸。
2、晶格雜質(zhì)是指鋁（al）、鈦（ti）、鈉（na）、鉀（k）等離子以類質(zhì)同象的方式直接取代石英晶格中的硅（si）位點(diǎn)。這種賦存狀態(tài)使得雜質(zhì)元素與石英主體形成了穩(wěn)固的化學(xué)鍵，常規(guī)的物理選礦（如磁選、浮選）甚至普通的酸洗方法都難以觸及和去除，這使得市面上大部分高純石英產(chǎn)品的品質(zhì)無法進(jìn)一步提升，進(jìn)而導(dǎo)致大批量低質(zhì)石英無法被高值化利用。此前，有研究證實(shí)氯化焙燒對石英中na、k元素的晶格雜質(zhì)有去除效果，通過高溫及氯化處理實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)向外遷移，但是此方法目前存在幾點(diǎn)不足：1.氯化焙燒對na、k等堿金屬元素有一定效果，但對石英玻璃性能危害最大的al3+和ti4+等高價態(tài)離子去除效果較小，由于其電價高、離子半徑與si4+差異更小、與晶格氧的結(jié)合能更強(qiáng)，導(dǎo)致其在高溫下的遷移和氯化反應(yīng)動力學(xué)極其緩慢，去除率遠(yuǎn)不理想，去處力度受限，更適合晶格雜質(zhì)含量較低的高純石英砂。2.為實(shí)現(xiàn)有限的純化效果，氯化焙燒通常需要極高的溫度（>1000℃）和長時間保溫，這不僅導(dǎo)致能耗巨大，對焙燒窯爐的耐火材料也提出了極端要求，設(shè)備投資與運(yùn)營維護(hù)成本極高，嚴(yán)重影響了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。3.氯化焙燒所使用的氯氣、氯化氫等氣體在高溫下具有極強(qiáng)的腐蝕性，對反應(yīng)設(shè)備及管道系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，縮短設(shè)備壽命。同時，這些劇毒、強(qiáng)腐蝕性氣體的儲存、使用和尾氣處理均存在顯著的安全與環(huán)境風(fēng)險，對工廠的安環(huán)管理提出了巨大挑戰(zhàn)。
3、因此，開發(fā)一種能夠在相對溫和條件下，高效破壞石英晶格并促使關(guān)鍵雜質(zhì)（尤其是al、ti）選擇性遷移與固定的新型焙燒方法，對于突破高純石英制備的技術(shù)瓶頸具有至關(guān)重要的意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足中的至少一項(xiàng)。例如，本發(fā)明的目的之一在于提供一種焙燒法去除石英晶格雜質(zhì)制備高純石英的方法；本發(fā)明的目的之二在于提供一種高純石英。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一方面提供了一種焙燒法去除石英晶格雜質(zhì)制備高純石英的方法，所述制備方法包括以下步驟：
3、1）對石英礦石進(jìn)行預(yù)處理，獲得粗制石英顆粒；
4、2）將粗制石英顆粒與硼砂混合后焙燒，獲得石英焙燒產(chǎn)物；
5、3）將石英焙燒產(chǎn)物進(jìn)行破碎-制砂后與稀鹽酸溶液進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后過濾，獲得精制石英顆粒；
6、4）將精制石英顆粒置于反應(yīng)釜中與混酸溶液進(jìn)行熱壓酸浸，經(jīng)后處理獲得高純石英。
7、可選擇地，步驟1）中所述石英礦石為石英內(nèi)部含有晶格雜質(zhì)或包裹體的低質(zhì)石英原料，包括天然水晶、花崗偉晶巖、脈石英和石英巖中的一種；所述預(yù)處理包括破碎-制砂、擦洗、磁選、浮選、酸浸、水洗和干燥。
8、可選擇地，所述粗制石英顆粒的粒徑為-70~+150目，sio2質(zhì)量百分含量≥99.9％。
9、可選擇地，所述破碎-制砂是指帶有檢查篩分和分級篩分的破碎-磨礦工藝；所述擦洗包括機(jī)械擦洗和超聲擦洗的一種或兩種，所述擦洗時礦漿的配比為磨礦后石英顆粒與擦洗介質(zhì)的固液質(zhì)量體積比為1:3~1:8kg/l，所述擦洗的時間為10min~60min；所述磁選是采用超導(dǎo)磁選機(jī)、高梯度立環(huán)磁選機(jī)和濕式強(qiáng)磁選機(jī)中的一種或兩種進(jìn)行，所述磁選的磁場強(qiáng)度為1.3~2.3t，所述磁選需循環(huán)3~6次。
10、可選擇地，所述浮選為反浮選，進(jìn)行所述浮選時的礦漿質(zhì)量濃度為10~30%，礦漿的ph為1.5~3.5，采用氫氟酸或稀硫酸調(diào)節(jié)ph，所述浮選采用十二胺作為捕收劑，十二胺加入量為1t石英顆粒加入100~200g，所述浮選過程中浮選泡沫產(chǎn)物包括長石和云母，槽底產(chǎn)物為石英顆粒。
11、可選擇地，所述酸浸采用混酸溶液進(jìn)行，所述混酸溶液中氫氟酸的摩爾濃度為0.2~2.0mol/l，鹽酸的摩爾濃度為1.2~3.2mol/l，硝酸的摩爾濃度為1.6~4.8mol/l，硫酸的摩爾濃度為0.5~2.0mol/l；進(jìn)行所述酸浸時石英顆粒與混酸溶液的固液質(zhì)量體積比為1:2~1:5kg/l；所述酸浸的溫度為80~120℃，時間為360~600min。
12、可選擇地，所述水洗為采用去離子水清洗進(jìn)行酸浸后的石英顆粒，清洗終點(diǎn)為清洗后濾液的ph為6.5~7.0；所述干燥包括晾曬、電熱干燥和真空干燥中的一種或兩種。
13、可選擇地，步驟2）中所述硼砂為五水四硼酸鈉或十水四硼酸鈉，所述硼砂的粒徑為-120~+200目；所述焙燒步驟包括：將所述粗制石英顆粒與所述硼砂進(jìn)行稱量配比，將配比后的粗制石英顆粒與所述硼砂充分混勻，充分混勻后進(jìn)行焙燒獲得石英焙燒產(chǎn)物。
14、可選擇地，所述粗制石英顆粒與所述硼砂的質(zhì)量比為6:1~10:1；所述混勻采用混料機(jī)、滾筒攪拌機(jī)或動態(tài)反應(yīng)釜進(jìn)行攪拌，所述攪拌的速度為20~40r/min，時間為3~10min；所述焙燒是采用焙燒爐進(jìn)行，所述焙燒爐包括氣氛燒結(jié)爐、管式爐、回轉(zhuǎn)窯和懸浮爐中的一種；所述焙燒的溫度為750~850℃，時間為1~3h；所述石英焙燒產(chǎn)物為表面包覆有硼硅酸鹽玻璃的多孔、酥脆的石英塊狀物。
15、可選擇地，步驟3）中所述破碎-制砂是指帶有檢查篩分和分級篩分的破碎-磨礦工藝，進(jìn)行破碎-磨礦后的石英顆粒的粒度為-70~+150目；所述破碎-制砂后的石英顆粒與所述稀鹽酸溶液的固液質(zhì)量體積比為1:2~1:5kg/l，所述稀鹽酸溶液的質(zhì)量濃度為4%~10%。
16、可選擇地，步驟3）中所述反應(yīng)包括充分?jǐn)嚢?、加熱和溶解，所述充分?jǐn)嚢璧臅r間≥30min，所述加熱的溫度≥95℃，所述溶解的目的是將包覆在石英顆粒表面上的硼硅酸鹽玻璃溶解于所述稀鹽酸溶液中。
17、可選擇地，步驟4）中所述熱壓酸浸所采用的設(shè)備為動態(tài)熱壓酸浸反應(yīng)釜或靜態(tài)水熱反應(yīng)釜中的一種；所述混酸溶液中氫氟酸的摩爾濃度為0.5~1.5mol/l，鹽酸的摩爾濃度為0.8~3.2mol/l，硝酸的摩爾濃度為1.2~3.4mol/l。
18、可選擇地，進(jìn)行所述熱壓酸浸時所述精制石英顆粒與所述混酸溶液的固液質(zhì)量體積比為1:2~1:5kg/l，所述熱壓酸浸的溫度為150~200℃，時間為300~600min。
19、可選擇地，步驟4）中所述后處理包括對所述熱壓酸浸后的酸浸產(chǎn)物進(jìn)行過濾-水洗和干燥；所述過濾-水洗是采用帶沖洗裝置的壓濾機(jī)對酸浸產(chǎn)物進(jìn)行過濾并對濾渣采用去離子水進(jìn)行清洗，清洗的終點(diǎn)為濾液的ph為6.5~7；所述干燥是對過濾-水洗后的石英顆粒采用晾曬、電熱干燥或真空干燥的方式進(jìn)行干燥，所述干燥的終點(diǎn)為干燥產(chǎn)物的含水率小于0.1%。
20、本發(fā)明另一方面提供了一種高純石英，所述高純石英可由上面所述的一種焙燒法去除石英晶格雜質(zhì)制備高純石英的方法制得。
21、可選擇地，所述高純石英的sio2質(zhì)量百分含量為99.99%~99.999%，與常規(guī)方法相比，石英晶胞參數(shù)可從理論標(biāo)準(zhǔn)值113.01?3降低至112.87?3。
22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果包括以下內(nèi)容中的至少一項(xiàng)：
23、（1）本發(fā)明通過引入硼砂（na2b4o7·10h2o）作為高效反應(yīng)助劑，在高溫下其熔融態(tài)硼酸鹽能夠有效滲透并破壞石英的晶格結(jié)構(gòu)，顯著降低了al3+、ti4+等高價態(tài)雜質(zhì)離子從晶格中遷移析出的活化能。相比于氯化焙燒僅對na、k有效，本發(fā)明能精準(zhǔn)地靶向去除對石英玻璃性能危害最大的al、ti晶格雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了雜質(zhì)去除從“選擇性弱”到“精準(zhǔn)高效”的跨越，為制備更高純度石英產(chǎn)品（如4n8以上）掃清了關(guān)鍵障礙。
24、（2）硼砂的加入顯著降低了石英的熔點(diǎn)，使得有效的晶格反應(yīng)和雜質(zhì)遷移可以在遠(yuǎn)低于氯化焙燒（通常>1000℃）的溫度下（例如600℃~1000℃）進(jìn)行。這不僅大幅降低了能源消耗，也降低了對焙燒設(shè)備的耐高溫要求，從而顯著減少了設(shè)備投資成本與生產(chǎn)運(yùn)營成本，使該技術(shù)具備優(yōu)異的工業(yè)化應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)性。
25、（3）本發(fā)明所使用的硼砂為固態(tài)、穩(wěn)定、低毒的化工原料，完全避免了氯化焙燒中必須使用的氯氣（cl2）、氯化氫（hcl）等劇毒、強(qiáng)腐蝕性氣體。這不僅從根本上消除了重大安全和環(huán)境風(fēng)險，也降低了對設(shè)備材質(zhì)的特殊防腐要求，簡化了操作流程和尾氣處理系統(tǒng)，使生產(chǎn)過程更加綠色、安全。
26、（4）國內(nèi)較多石英原料因?yàn)槠涫?nèi)部賦存的雜質(zhì)含量較高而被棄用，本發(fā)明為這類低質(zhì)石英原料提供了一種提升最終品質(zhì)的方法，通過減低石英熔點(diǎn)，促進(jìn)石英內(nèi)部雜質(zhì)向外遷移，使得被晶格雜質(zhì)或包裹體制約的低質(zhì)石英向高質(zhì)石英轉(zhuǎn)化，得到了高值化的利用。