CN114751419B - 一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺，属于石英砂提纯技术领域，所述工艺包括原矿破碎、第一次酸洗，再与改性助剂共混并进行高温煅烧处理，再依次进行微波处理和第二次酸洗处理；本发明在现有酸浸法的基础上，通过改性助剂在高温下对石英砂原矿粉进行渗透改性处理，结合微波处理方法和二次酸浸法，极大提高了杂质去除率和二氧化硅纯度，纯度高于99.9986％。

Description

一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺
技术领域
本发明涉及石英砂提纯技术领域，具体涉及一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺。
背景技术
石英作为一种重要的工业原料，在许多领域有着广泛应用，如玻璃、新型建材、电子材料、防水防腐材料、塑料、橡胶、油漆等。高纯石英(high-purity quartz)是SiO2纯度大于99.9％的石英系列产品的总称，是高档石英制品的原料，作为硅产业高端产品的物质基础，广泛运用于光伏、电子信息、光通讯和电光源等行业，在新材料新能源战略性新兴产业中具有重要地位和作用。目前国内外均选用天然水晶作原料，经粉碎、分级、提纯制得符合标准的石英砂。但天然水晶原料短缺，且价格昂贵。因而开发利用天然石英原矿作原料，替代水晶制取高纯石英砂具有现实意义。
天然石英原矿中的杂质主要有非金属元素B、P、C、O，以及金属元素Fe、Al、Ca、Ti、Mn、V、Cu、Cr等，根据杂质存在形态的不同，可以将其分为两类：一为固溶类杂质，主要包括B、P，以及微量溶解于硅中的金属杂质；二为偏析类杂质，主要包括Fe、Al、Ca、Ti、V、Cu、Cr等金属类杂质，以及C、O等非金属杂质；金属类杂质因其在硅中的分凝系数较小，大多以合金化合物Si–Fe，Si–Fe–Ti，Si–Fe–Al，Si–Fe–Al–Ca，Si–Fe–Al–Ti–V，Si–Ti–V，Si–Al–Cu等形式偏析于晶界处。杂质相的存在会导致硅晶界处的硬度较小，因此，将其破碎处理可使得偏析于晶界处的杂质相被破坏而暴露出来，再利用杂质可以优先与酸性浸出剂进行离子化反应的特性，可以实现湿法提纯的目的。基于此，以硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸、醋酸或他们的混合物为主的浸出剂被广泛研究。然而，研究发现单独依靠湿法酸浸手段来实现硅中杂质的深度去除仍然面临挑战，酸浸处理后硅纯度难以达到4N或更高的水平。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺，包括以下步骤：
(1)将石英砂原矿粉碎研磨至细度在200目以下，以清水洗涤，减压抽滤；
(2)将步骤(1)抽滤后的石英砂进行第一次酸洗，酸洗完成后减压抽滤，以清水洗涤至中性，干燥；
(3)将步骤(2)制得的石英砂与改性助剂共混，在保护气氛下高温煅烧处理后，水洗除去改性助剂，干燥；
其中，所述改性助剂为硫酸锰、硫酸镍的一种或两种；
(4)将步骤(3)制得的石英砂进行微波处理；
(5)将步骤(4)制得的石英砂进行第二次酸洗，酸洗完成后减压抽滤，以清水洗涤至中性，干燥后制得所述高纯石英砂。
优选的，所述石英砂原矿中二氧化硅含量不小于97％。
优选的，所述第一次酸洗与第二次酸洗的酸液为盐酸、硫酸、硝酸、草酸、乙酸、氢氟酸、氟硅酸中的一种或几种。
优选的，所述第一次酸洗的温度为60-80℃，酸洗时间1-6h。
优选的，步骤(3)中所述石英砂与所述改性助剂的质量比例为1：(1-2)。
优选的，所述高温煅烧的处理温度在700-800℃，处理时间1-24h。
优选的，所述微波处理的处理功率为0.3-2kW，微波处理时间10-120min。
优选的，所述第一次酸洗的酸液质量浓度在10-20wt.％，所述第二次酸洗的酸液质量浓度在20-50wt.％。
优选的，所述第二次酸洗的温度为100-160℃，酸洗时间1-6h。
本发明的另一方面在于提供一种高纯石英砂，所述高纯石英砂由所述提纯工艺制备得到，所述高纯石英砂的纯度高于99.9986％。
本发明的有益效果为：
针对现有技术中酸浸法处理去除硅杂质难以达到高硅纯度水平的问题，本发明在现有酸浸法的基础上，通过改性助剂在高温条件下对石英砂原矿粉进行渗透改性处理，结合微波处理方法和二次酸浸法，极大提高了二氧化硅纯度，具体的，先将原矿进行破碎，可使得偏析于晶界处的杂质相被破坏而暴露出来，通过第一次酸洗除去部分杂质，同时为后续的高温改性提供渗透条件，进一步的，本发明以硫酸锰和硫酸镍为改性助剂，借助高温条件与石英砂微粉内的金属杂质元素进行交换、取代或渗透，从而增大杂质相与二氧化硅相间的介电损耗差异，再在微波处理条件下，基于微波场中不同的介电损耗因子物质的升温速率不同，利用微波场对改性后的石英砂进行处理，可以使得杂质相与二氧化硅相之间的界面产生裂缝，再通过第二次酸洗处理，裂缝促进了高浓度酸洗液的渗透，促使石英砂中的杂质包裹体的溶出，进而极大提高杂质去除率。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺，包括以下步骤：
(1)将石英砂原矿粉碎研磨至细度在200目以下，以清水洗涤，减压抽滤；
所述石英砂原矿的主要化学成分为：SiO2 98.07％、Fe2O3 0.184％、Al2O30.056％、CaO0.372％、MgO 0.127％、TiO2 0.0004％、烧失量1.17％；
(2)将步骤(1)抽滤后的石英砂进行第一次酸洗，酸洗完成后减压抽滤，以清水洗涤至中性，干燥；
所述第一次酸洗的酸液为盐酸、硝酸和草酸的混合酸溶液，其中，所述盐酸的质量分数为10％，所述硝酸的质量分数为4％，所述草酸的质量分数为3％；酸洗温度68℃，酸洗时间4h；
(3)将步骤(2)制得的石英砂与硫酸锰和硫酸镍共混，在氮气保护气氛下进行高温煅烧处理，水洗除去改性助剂，干燥；
其中，所述石英砂与硫酸锰、所述硫酸镍的质量比例为1：0.8：0.4；所述高温煅烧的处理温度在760℃，处理时间12h；
(4)将步骤(3)制得的石英砂进行微波处理；
所述微波处理的处理功率为1.2kW，微波处理时间30min；
(5)将步骤(4)制得的石英砂进行第二次酸洗，酸洗完成后减压抽滤，以清水洗涤至中性，干燥后制得所述高纯石英砂；
所述第二次酸洗的酸液为盐酸、硝酸、草酸和氟硅酸的混合酸溶液，其中，所述盐酸的质量分数为19％，所述硝酸的质量分数为6％，所述草酸的质量分数为3％，所述氟硅酸的质量分数为3％；酸洗温度110℃，酸洗时间4h。
实施例2
一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺，同实施例1，区别在于，所述微波处理的处理功率为0.6kW，微波处理时间30min。
实施例3
一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺，同实施例1，区别在于，步骤(3)不含所述改性助剂，具体包括以下步骤：
(1)将石英砂原矿粉碎研磨至细度在200目以下，以清水洗涤，减压抽滤；
所述石英砂原矿的主要化学成分为：SiO2 98.07％、Fe2O3 0.184％、Al2O30.056％、CaO0.372％、MgO 0.127％、TiO2 0.0004％、烧失量1.17％；
(2)将步骤(1)抽滤后的石英砂进行第一次酸洗，酸洗完成后减压抽滤，以清水洗涤至中性，干燥；
所述第一次酸洗的酸液为盐酸、硝酸和草酸的混合酸溶液，其中，所述盐酸的质量分数为10％，所述硝酸的质量分数为4％，所述草酸的质量分数为3％；酸洗温度68℃，酸洗时间4h；
(3)将步骤(2)制得的石英砂在氮气保护气氛下进行高温煅烧处理；
其中，所述高温煅烧的处理温度在760℃，处理时间12h；
(4)将步骤(3)制得的石英砂进行微波处理；
所述微波处理的处理功率为1.2kW，微波处理时间30min；
(5)将步骤(4)制得的石英砂进行第二次酸洗，酸洗完成后减压抽滤，以清水洗涤至中性，干燥后制得所述高纯石英砂；
所述第二次酸洗的酸液为盐酸、硝酸、草酸和氟硅酸的混合酸溶液，其中，所述盐酸的质量分数为19％，所述硝酸的质量分数为6％，所述草酸的质量分数为3％，所述氟硅酸的质量分数为3％；酸洗温度110℃，酸洗时间4h。
实施例4
一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺，同实施例1，区别在于，不含步骤(4)所述的微波处理，具体包括以下步骤：
(1)将石英砂原矿粉碎研磨至细度在200目以下，以清水洗涤，减压抽滤；
所述石英砂原矿的主要化学成分为：SiO2 98.07％、Fe2O3 0.184％、Al2O30.056％、CaO0.372％、MgO 0.127％、TiO2 0.0004％、烧失量1.17％；
(2)将步骤(1)抽滤后的石英砂进行第一次酸洗，酸洗完成后减压抽滤，以清水洗涤至中性，干燥；
所述第一次酸洗的酸液为盐酸、硝酸和草酸的混合酸溶液，其中，所述盐酸的质量分数为10％，所述硝酸的质量分数为4％，所述草酸的质量分数为3％；酸洗温度68℃，酸洗时间4h；
(3)将步骤(2)制得的石英砂与硫酸锰和硫酸镍共混，在氮气保护气氛下进行高温煅烧处理，水洗除去改性助剂，干燥；
其中，所述石英砂与硫酸锰、所述硫酸镍的质量比例为1：0.8：0.4；所述高温煅烧的处理温度在760℃，处理时间12h；
(4)将步骤(3)制得的石英砂进行第二次酸洗，酸洗完成后减压抽滤，以清水洗涤至中性，干燥后制得所述高纯石英砂；
所述第二次酸洗的酸液为盐酸、硝酸、草酸和氟硅酸的混合酸溶液，其中，所述盐酸的质量分数为19％，所述硝酸的质量分数为6％，所述草酸的质量分数为3％，所述氟硅酸的质量分数为3％；酸洗温度110℃，酸洗时间4h。
实验例
对实施例1-3制备的石英砂中的氧化硅含量、铁含量、铝含量以及碱金属含量进行测定，测定结果如下：
氧化硅含量/％ 铁含量/ppm 铝含量/ppm 碱金属含量/ppm
实施例1 99.9991 0.27 1.02 0.97
实施例2 99.9986 0.29 1.18 1.09
实施例3 99.9917 1.03 3.31 4.16
实施例4 99.9674 2.26 7.52 12.4
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将石英砂原矿粉碎研磨至细度在200目以下，以清水洗涤，减压抽滤；
(2)将步骤(1)抽滤后的石英砂进行第一次酸洗，酸洗完成后减压抽滤，以清水洗涤至中性，干燥；
(3)将步骤(2)制得的石英砂与改性助剂共混，在保护气氛下高温煅烧处理后，水洗除去改性助剂，干燥；
其中，所述改性助剂为硫酸锰、硫酸镍的一种或两种；
(4)将步骤(3)制得的石英砂进行微波处理；
(5)将步骤(4)制得的石英砂进行第二次酸洗，酸洗完成后减压抽滤，以清水洗涤至中性，干燥后制得所述高纯石英砂。
2.根据权利要求1所述的一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺，其特征在于，所述石英砂原矿中二氧化硅含量不小于97％。
3.根据权利要求1所述的一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺，其特征在于，所述第一次酸洗与第二次酸洗的酸液为盐酸、硫酸、硝酸、草酸、乙酸、氢氟酸、氟硅酸中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺，其特征在于，所述第一次酸洗的温度为60-80℃，酸洗时间1-6h。
5.根据权利要求1所述的一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺，其特征在于，步骤(3)中所述石英砂与所述改性助剂的质量比例为1：(1-2)。
6.根据权利要求1所述的一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺，其特征在于，所述高温煅烧的处理温度在700-800℃，处理时间1-24h。
7.根据权利要求1所述的一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺，其特征在于，所述微波处理的处理功率为0.3-2kW，微波处理时间10-120min。
8.根据权利要求1所述的一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺，其特征在于，所述第一次酸洗的酸液质量浓度在10-20wt.％，所述第二次酸洗的酸液质量浓度在20-50wt.％。
9.根据权利要求1所述的一种酸浸法提纯制备高纯石英砂的工艺，其特征在于，所述第二次酸洗的温度为100-160℃，酸洗时间1-6h。
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