TW202114942A - 藉由去除耐火材料的微粒以純化石英粉末 - Google Patents

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Abstract

本發明描述一種精製石英粉末之方法，其包含藉由淘析步驟自該石英粉末分離耐火礦物質，尤其是含有稀土金屬化合物之礦物質之微粒之步驟。

Description

藉由去除耐火材料的微粒以純化石英粉末
本發明係關於一種藉由自石英粉末去除耐火礦物質，包括含有稀土化合物之特定礦物質之微粒而精製石英粉末之方法。此外，本發明係關於使用淘析方法自石英粉末去除此等耐火礦物質之微粒。最後，本發明亦關於根據所主張之發明製備且具有低含量之此等耐火礦物質之微粒之石英粉末。
熔融石英玻璃，即藉由熔融精製的天然石英粉末製成之玻璃用於當今工業之許多應用中。其長久以來以用於燈罩、實驗室器皿等中而著稱，其已作為容器或接觸材料用於半導體製造，且甚至用於光纖製造。但是，對於此等後面的應用中之一些，藉由當前已知的石英精製程序實現之純度並不理想。出於此原因，當今的大部分光纖完全由合成熔融二氧化矽製成，且對於最高品質之半導體應用，合成玻璃亦為合乎需要的。
在光纖用於電信的早期，大部分光纖由藉由熔融高度精製的天然石英晶體製成之玻璃構成。但是，隨著行業的發展，光纖斷裂變為嚴重問題，且發現此等斷裂之主要來源為耐火礦物質之離散微米或亞微米級粒子，該等礦物質通常為例如獨居石及磷釔礦之礦物質，即混合稀土磷酸鹽，及偶爾的稀土氧化物，其並未藉由隨後可用的石英精製技術去除。此等微粒或多或少地存在於天然石英晶體之所有來源中，且在獲自偉晶岩之石英中尤其顯著，偉晶岩包含當今工業中所用之高純度石英粉末之主要來源。
在此類可商購的精製石英粉末中，此等耐火微粒之尺寸一般為小於25 µm，通常為小於5 µm，且實際上，大多數小得多，通常為小於1 µm，即為膠體粒度。不受任何理論限制，假定由於此等粒子之小尺寸，當其在水性懸浮液中時，其在表面處經受電勢，且可藉由相比於影響較大尺寸粒子之重力及拖曳力占主導之力而變得靜電結合至二氧化矽粉粒。此類相互作用在小於10 µm之粒度下變得越來越顯著。此外，儘管已證明此等微粒由於其極端惰性及極高熔點而難以自石英粉末去除，且迄今已證明不可能將其自所得熔融石英玻璃產物去除。
光纖斷裂研究已展示當存在於包層玻璃中時，尺寸小於0.5 µm之粒子可使光纖斷裂。其結果是，大部分的光纖行業多年來需要合成熔融石英，可藉由該熔融石英保證不存在此類粒子。
最近，已變得顯而易見的是對於半導體行業中之某些應用，亦期望用由合成熔融二氧化矽製成之部件替換某些重要的石英玻璃組件。此係因為存在如下風險：偶爾的耐火礦物質粒子可能變得暴露於石英玻璃之表面，且以塵粒形式進入環境，該等塵粒可到達所處理之晶圓且導致良率損失。同樣值得注意的是此等耐火礦物質粒子中之一些含有釷及鈾，且在半導體製造方法中，此類放射性物質之存在係特別不期望的。最後，此等不溶性微粒可在關於石英熔融之某些方法中呈現問題，因為在一些情況下，其可為熔融石英產物中之氣泡生長提供成核位點。
總體而言，若耐火礦物質微粒存在於石英粉末材料中，則其存在會引起關於最終光學品質的問題，尤其是最關鍵的半導體電漿蝕刻應用，及用於製備光纖包層所需之品質。
若在石英精製方法之過程中，可去除或至少基本上減少此等耐火礦物質，則熔融石英玻璃將成為上文所提及之一些應用中合成二氧化矽之潛在替代方案。
當前，產生用於熔融的高純度石英粉末之標準方法涉及壓碎及研磨原料(通常為偉晶岩)、篩分、磁性分離、泡沫浮選及用酸浸出，該酸例如為氫氟酸，視情況與第二無機酸(例如鹽酸、硝酸或硫酸)混合。隨後用純水洗滌粉末且乾燥，之後用於製造熔融石英。
另外，石英粉末可經受反應氣體中之高溫處理，例如經由在含氯氣氛，例如Cl2 或HCl存在下穿過旋轉窯。作為產生高純度石英粉末之方法之一部分的此類熱氯化方法描述於例如EP 0 737 653 A及US 7,837,955 B中。在此類熱氯化方法期間，存在於粉粒內部的例如耐火礦物質之雜質粒子可使粉粒粒子裂化，且耐火礦物質可由此變得在石英粉末之表面處暴露，或甚至釋放。因此，若在石英粉末精製期間進行熱氯化或另一高溫處理步驟，則可能預期暴露耐火礦物質微粒，且促進藉由適合之方法將其去除。
儘管藉由已知方法提供了廣泛精製，但現今可用的所得石英粉末仍保留了對於最關鍵應用而言不可接受的水準之耐火礦物質。 關於石英粉末精製之先前技術情況可概述如下：
CN 106082238 A揭示了一種製備石英粉末之方法，其中起始物質被粉化(壓碎及細磨)且經受熱氯化方法。在熱氯化方法之後，所得石英粉末經受一系列的兩個另外的方法步驟，其中第一方法步驟為石英粉末的水淬滅，且第二步驟為用酸，包括氫氟酸、鹽酸、硫酸及草酸之混合物將石英粉末浸出。在此浸出步驟期間，可施加超音波處理。此後，藉由過濾將固相與液相分離，隨後洗滌固體殘餘物且乾燥。CN 106082238 A不教示或提出與本發明相同的問題，自石英粉末去除任何不溶性耐火礦物質微粒，且儘管浸出步驟可能導致微粒耐火礦物質在一定程度上自與石英粉末之粉粒之可能的連接釋放，但作為本發明之主題之耐火礦物質微粒不溶於以上酸混合物中，且具有如下之小粒度：除非使用某一形式之淘析來實現分離，否則預期其將在任何後續習知過濾步驟中保持黏附至石英粉末粒子且污染石英粉末粒子。未提供分析圖，且不存在實現耐火礦物質微粒與石英粉末之任何顯著分離之證據。
DD 160 967 A揭示了一種純化石英粉末之方法，其中起始物質首先經受碾磨及研磨步驟，且其後用鹽酸處理。作為隨後步驟，石英粉末經受熱氯化方法且用氫氟酸處理。在此酸處理之後，藉由過濾將酸與石英粉末分離。由於耐火礦物質保持不受氫氟酸處理影響，預期DD 160 967所建議的酸分離不會引起自石英粉末去除耐火礦物質微粒，且提供的此類分析圖未提供與之相反之證據。
JP 6230632 A揭示了一種自天然矽質原料製備高純度石英玻璃之方法。在此製備程序期間，石英粉末經受氯化方法且其後藉由在氫氟酸及硝酸之混合物中之浸沒處理來純化。在用硝酸且接著用水洗滌之後，過濾粉末且乾燥。分析圖展示藉由該方法實現了鹼金屬(鋰、鈉及鉀)含量之顯著降低，以及放射性元素鈾之含量之大量降低。未解決耐火礦物質微粒之分離。此外，此日本先前技術參照案中描述之浸沒及洗滌處理不會引起耐火礦物質微粒與石英粉末之分離。
US 4,804,422揭示了一種在壓碎及藉由浮選初步選礦，以及磁性分離之後處理潛在地源自偉晶岩來源之石英粉末之方法。將具有通常小於0.5 mm之粒度之石英粉末持續足以溶解至少40重量%之石英砂之時段在氫氟酸中處理，用脫礦質水沖洗，且接著用熱鹽酸處理至少30分鐘。據稱後一步驟在降低磷酸酯雜鹽之含量中有益；但是，已證明此程序不會去除所有的耐火礦物質微粒。未指示存在任何藉由淘析分離此類耐火礦物質微粒之嘗試。過濾器設置於床頂部以防止粒子自床中逃脫，且向前穿過酸循環泵，但顯而易見的是在過濾器處收集之任何粒子將與所處理之石英粉末一起保留於浸出容器中。因此，耐火礦物質與大得多的石英粒子在方法結束時充分混合，且可甚至附著於石英粉末粒子。僅可藉由在低流速下操作以准許淘析，且另外藉由在液體相之循環通路中使用微細(亞微米)過濾器來避免微粒之任何去除，但是，所揭示之方法中不使用該微細過濾器。在無此類微細過濾器之情況下，任何穿過過濾器之微米及亞微米級粒子將保留於再循環酸中，且返回至浸出容器。預期此製程之後的產物粉末保留顯著水準之耐火微粒污染。
CN 102303870 A描述一種在流體化床中浸出石英砂之方法。描述之各種配置全部並有圓筒形流體化容器，其中粒子懸浮於加熱酸之上升流中，該上升流藉由泵再循環。在容器頂部，酸溢流至周向槽中，且攜帶的任何砂粒子被收集於「沉砂池(grit basin)」中。明顯的是此「沉砂池」用於在酸繼續穿過泵之前沈降及去除(「沈澱」)砂粒子。任何耐火礦物質微粒(例如具有小於5 µm之粒度)將不在此時沈降，而是保持懸浮以與流動酸一起再循環。因此，未揭示如何去除粒度小於5 µm之耐火礦物質微粒。
CN 104843718 A揭示一種二氧化矽之厭氧氯化之方法，其中氯化在豎直氯化反應器中進行，接著在酸萃取槽中處理，且在比重槽中浮選以去除雜質。根據此先前技術參照案之揭示內容完全未提及比重槽中之浮選處理之特定條件。此外，其未提及在浮選程序中自二氧化矽去除哪些雜質。
US 9,776,194揭示一種偵測石英粉末中耐火礦物質(所謂的重礦物質)之大粒子，即尺寸與石英砂類似的粒子之存在的分析方法，而不提供如何在任何製造方法中去除此等雜質之足夠方式。US 9,776,194中描述之方法由以下組成：使用泡沫浮選劑調節呈水漿形式之疑似含有耐火礦物質，如重礦物質粒子之石英粉末；使調節之礦漿經受泡沫浮選以獲得尾礦；將尾礦與密度大於石英且小於期望分離之重礦物質之水溶液組合；及最後對該組合進行離心以便實現耐火礦物質之沈降。此技術可便於調查石英粉末之分析樣品中耐火礦物質之存在，但其需要昂貴的化學試劑(例如雜多鎢酸鈉)之水溶液，且樣品在高速下離心，其對於有限尺寸之樣品係可能的，但不適合於工業規模之實際石英精製。此外，如在過去對商業高純度石英粉末所實施，此分析技術未展示尺寸小於10 µm之耐火礦物質微粒之存在。
US 6,746,655係關於一種清潔SiO2 粉粒之方法，該方法藉由在豎直反應器中填充粒子及藉由在至少1000℃之溫度下用流體化氣體(HCl)之上升流(因此形成流體化床)對其進行處理，以形成可經由廢氣自反應器去除之氣態金屬氯化物或其他揮發性化合物。將流速設定成至少10 cm/s且滯留時間可為大約12小時。此方法用於去除Li、Na、Mg、Cu、Fe、Ni、Cr、Mn、V、Ba、Pb、C、B及Zr之金屬污染，其中根本未提及自石英粉末分離耐火礦物質微粒。此外，US 6,746,655未揭示孔徑為0.7 µm或更小的過濾器，且僅涉及除塵器之存在，用於自廢氣流分離呈凝聚化合物形式之最精細粉塵及污染物。其中所述之方法並非淘析方法且不使用液體流。
EP 1 942 078 A係關於一種純化二氧化矽粉末之方法，根據該方法，使二氧化矽粉末成為流體狀態(在流體化床中)且與純化氣體(HCl或Cl2 )在高溫(1200℃)下接觸，且從而去除具有高離子性之二氧化矽粉末之雜質組分(鹼金屬雜質組分)。為此目的，將呈流體狀態之二氧化矽粉末安置於磁場區域中。如同US 6,746,655之方法，在該方法中，雜質組分(例如Li、Na、K)與純化氣體在二氧化矽粉末表面上接觸及反應，以便被汽化(變為氯化物氣體等)且產生之氣體被耗盡。總而言之，EP 1 942 078 A之方法為藉由與雜質反應而在熱氣流中純化，且以蒸氣形式去除之方法。未描述液體介質中之淘析方法。
CA 1 184 740 A係關於一種產生高純度二氧化矽之方法，根據該方法，可藉由與含有3至20重量% HF之水溶液一起在約50℃之溫度下攪拌幾個小時而處理濃縮物，以自二氧化矽或石英濃縮物(自表面以及遮蔽處)去除氧化鐵及雜質，如長石及其他帶有氧化鋁及氧化鈣之化合物。雜質(長石、帶有氧化鋁及氧化鈣之化合物)以比二氧化矽更大的速率溶解，且可以黏泥形式分離(脫泥或浮選)或可用水洗滌。根據CA 1 184 740 A，石英或二氧化矽濃縮物已經受先前處理(選礦)，如粒析、濕式或乾式篩選、磁性分離、浮選或其組合。此外，未提及所述之處理之前或之後的稀土礦物質之含量。
因此，需要精製石英粉末之新方法，其將允許自石英粉末去除污染性的耐火礦物質微粒。
因此，本發明之目標為提供一種精製(純化)石英粉末之方法，其中有效地去除耐火礦物質微粒。
在本發明之第一態樣中藉由精製石英粉末之方法滿足此目標，該方法包含藉由淘析步驟自石英粉末中分離出耐火礦物質之微粒之步驟，其中該等耐火礦物質之微粒包含含有稀土金屬及/或釷及/或鈾之礦物質，且淘析步驟在流體化床反應器中進行，其中提供了液體淘析相之受控上升流，藉以使得耐火礦物質之微粒在流體化床反應器中被攜帶向上，而石英粉末保留於流體化床反應器之下部區域中。
此外，在本發明之第二態樣中藉由精製石英粉末之方法滿足該目標，該方法包含藉由淘析步驟自石英粉末分離出耐火礦物質之微粒之步驟，其中待精製之石英粉末之粒度為75至1000 µm，耐火礦物質之粒度為小於50 µm。在本發明之第二態樣中，淘析步驟被理解為較佳在流體化床反應器中進行，其中提供了液體淘析相之受控上升流，藉以使得耐火礦物質之微粒在流體化床反應器中被攜帶向上，而石英粉末保留於流體化床反應器之下部區域中。
已出人意料地發現可在新精製方法期間自石英粉末去除污染性耐火礦物質微粒，該方法首先確保耐火礦物質不保持結合至石英晶體，且其次，其中石英粉末經受淘析步驟。
在本發明中，淘析意指基於粒子之尺寸、形狀及/或密度，使用在通常與沈降方向相反的方向上流動之液體流來分離粒子之方法。因此，如本發明中所用之淘析為一種反向沈降方法，其中待分離之粒子，即石英粒子及耐火礦物質粒子分散於向上流動的流體流中，以使得儘管耐火礦物質微粒之密度較大，但其可藉由使用豎直定向之液體流與石英粉末粒子分離。但是，在本發明中且(不尋常地)，儘管耐火礦物質微粒之密度較高，但其在液體之向上流中相對於石英粒子漂浮，且出現於溢流液中且可與溢流液分離，在淘析容器中留下較低密度之石英粒子。
因此，本發明係基於以下發現：儘管RE微粒有較高密度，但可能藉由RE微粒之向上淘析而將小直徑之重RE微粒與較低密度之石英砂之較大粒子分離。
在本發明中，耐火微粒意指具有高熔點及/或耐熱之礦物質或其他合成無機材料之固體粒子。此等粒子之尺寸一般小於50 µm，尤其小於25 µm，尤其小於10 µm，尤其小於5 µm，尤其小於1 µm。
在一個實施例中，耐火礦物質包含稀土材料，如稀土礦物質(=含有稀土金屬之礦物質)及/或稀土金屬。因此，根據本發明之方法尤其適合於自石英粉末分離及去除稀土材料，如耐火礦物質。在本發明之意義上，稀土材料為所謂的「重礦物質」，其包括但不限於所有種類之獨居石(混合稀土磷酸鹽)及磷釔礦(即，含有磷酸釔作為主要組分之礦物質複合稀土礦物質)。除了此等稀土材料以外，待自石英粉末去除之稀土材料亦可包括低含量之放射性金屬，如釷及鈾。此類礦物質可以相對較小量(小於1 ppm)存在於大塊石英晶體粉末中，但已證明其難以藉由行業中標準的方法去除，且甚至此類低含量在透明熔融石英玻璃產物中亦為不期望的，如上文已闡述。
因此，待自石英粉末去除之稀土材料主要為稀土磷酸鹽，且例如選自由以下組成之群：獨居石-(Ce) (Ce、La、Nd、Th)PO4 、獨居石-(La) (La、Ce、Nd)PO4 、獨居石-(Nd) (Nd、La、Ce)PO4 、獨居石-(Sm) (Sm、Gd、Ce、Th)PO4 及磷釔礦，包含正磷酸釔(YPO4 )，其與多種其他稀土元素，及潛在地Ca、U、Th、Si、F及As結合。
此外，已發現淘析之方法步驟亦使得可能自石英粉末去除放射性材料，如釷及鈾。
商業精製石英粉末中發現且藉由雷射燒蝕ICP-MS分析來分析的例示性獨居石及磷釔礦粒子具有下表1中所示之化學組成。 表1
個別粒子元素組成 (wt%) 之 LA-ICP-MS 分析
獨居石 磷釔礦
同位素 1 2 3 4 1 2 3
89 Y 3.10 2.2 1.4 3.5 51.80 66.1 64.5
139 La 19.65 8.3 4.8 21.2 0.02 0 0
140 Ce 34.54 49.3 54.8 29.2 0.09 0 0.1
141 Pr 1.3 1.6 4
146 Nd 18.64 4.3 4.3 18.9 0.34 0.4 0.5
147 Sm 5.65 3.9 1.9 6.1 0.96 1.3 1.8
157 Gd 4.10 2.9 1.6 4.7 4.57 6 7.1
163 Dy 1.22 1.1 1.1 1.6 8.75 11.2 12.1
232 Th 9.00 10.9 14 7.6 0.81 0.3 0.7
238 U 0.32 0.1 0.3 0.1 1.79 0.1 0.2
表1展示使用US 9,776,194之方法自商業石英粉末提取之複合稀土粒子之一些個別粒子之分析。
儘管可存在耐火礦物質之其他微粒，但由於發現獨居石及磷釔礦為主要的，待自石英粉末分離之材料在下文中在一起稱為RE (即，稀土)微粒。
根據本發明之精製石英粉末之方法可概述如下：
正如已提及的，精製石英粉末之方法包含藉由淘析步驟自石英粉末分離出RE微粒之步驟。
根據本發明之淘析步驟可在流體化床反應器中進行。流體化床反應器為熟習此項技術者所已知。在此類型之反應器中，流體(通常為氣體或液體，較佳為液體)以足以懸浮最少部分的固體且使其表現得好像流體一樣的速度穿過待精製之石英粉末之漿。此方法稱為流體化。在本發明中，有可能使用具有反應性流體，如氫氟酸之流體化床反應器，且在淘析期間在石英粒子之表面上實現蝕刻反應。或者，亦有可能用例如水之惰性流體處理懸浮粉末，且在不存在粉末與流體之任何反應之情況下實現淘析。
流體化床反應器中之固體基質材料(即，石英粉末連同RE微粒)通常由稱為分配器之多孔盤負載。接著迫使本發明稱為液體淘析相之流體穿過分配器，向上穿過固體材料。在較低流體速度下，在流體穿過材料中之空隙時，固體保持原位。隨著流體速度增加，反應器將到達流體對固體之力足以使得所有粒子流體化之階段。在本發明中，容器較佳為圓錐形狀，且朝向底部逐漸減小至較小直徑。因此，流體之向上速度隨著高度之增加而減小。在此情況下，石英粒子按尺寸分離，其中大的石英粒子積聚於流體化床反應器之下部區域(非常接近於分配器)，且較小的石英粒子上升至頂部。儘管相對於石英，RE微粒之密度較大，但發現此等微粒由於其小得多的尺寸而上升至流體化床反應器之頂部。在此階段中，出現石英粉末及RE微粒之預期分離。
因此，根據本發明之方法包含藉由淘析步驟自石英粉末分離出RE微粒之步驟，其中提供了液體淘析相之受控上升流，且藉此使得RE微粒在流體化床反應器中被攜帶向上，而石英粉末粉粒保留於流體化床反應器之下部區域中。流體化床反應器之下部區域為非常接近於分配器之流體化床反應器區域，且石英粉末在液體淘析相向上流動期間保留於該區域中。
因此，本發明之一個特定特徵為在流體化床反應器中進行根據本發明之方法。在本發明中，流體化床反應器之技術術語意指當需要將所有粒子維持於均質或非均質懸浮液中時，准許懸浮粒子流體化之淘析容器。在此意義上，用於根據本發明之方法之淘析容器為淘析容器，其可用於准許在酸中浸出粉末，且可能在准許流體化視情況包括淘析之條件下使用。在根據本發明之方法中，在流體化床中被攜帶向上的RE微粒較佳與液體淘析相一起自流體化床反應器排出，或與材料在此後可再循環之液體淘析相分離。
由於較佳的是液體淘析相自流體化床反應器之頂部再循環至流體化床之底部，因此去除之RE微粒較佳需要在再循環之前自液體淘析抽出。
因此，在根據本發明之方法之一個更佳實施例中，液體淘析相再循環至淘析步驟，且RE微粒例如藉由過濾自液體淘析相分離。
RE微粒較佳藉由淘析相之過濾自淘析相分離，該過濾係藉由使用孔徑為0.7 µm或更小的過濾器。
為了在淘析步驟之前自石英粉末分離RE微粒，另外較佳的是藉由超音波攪拌或藉由由液體或氣體流動引起的攪拌來支持自石英粉末分離出RE微粒。
亦可能較佳的是在酸處理及隨後的淘析期間對容器、再循環液體或兩者進行適當加熱。藉由控制pH值，藉由添加抗絮凝劑、界面活性劑、螯合劑等可促進微粒自較大石英粉粒中解聚，且藉由超音波攪拌或其他手段可有助於該解聚。加熱液相可有利於增加此等方法中一些方法之有效性。
出於完整性起見，應注意，淘析可在實現液體之向上流動之任何階段期間施加，且尤其在蝕刻(如用HF蝕刻)、後續沖洗(如用HCl沖洗)及水洗，以及此等步驟中之一或多者期間為可能的。
在方法中，在HF浸出方法之後用稀HCl沖洗係有益的，因為在HF浸出之後緊接著水洗之情況下，可能藉由液相中存在之六氟矽酸之水解製備矽膠沈澱物。當蝕刻酸混合物已包括除HF以外的酸，如HCl或HNO3 時，此係不期望的，但可能不算什麼問題。
如下文中更詳細概述，根據本發明之淘析步驟可在石英粉末精製之方法步驟之級聯中，尤其在石英粉末之煅燒及/或熱氯化步驟之前或之後進行。石英粉末精製之大部分其他方法步驟為熟習此項技術者所已知。
在淘析之條件下，流體化床浸出及洗滌操作將使得石英粉末根據粒度分離，其中較小的石英粒子上升至浸出容器之上部區域。因此，在淘析步驟之後，較佳的是在自流體化床反應器去除之前將精製石英粉末均質化。此係為了確保在自反應器排出石英粒子漿時，粉末之粒度分佈在整個批料中為一致及均質的。精製石英粉末之均質化可藉由攪拌，尤其藉由液體或氣體流動或藉由超音波來進行。
待精製之石英粉末之粒度通常為75至1000 μm，較佳為75至250 μm，而RE微粒之粒度通常為小於50 μm，尤其小於25 μm，尤其小於10 μm，尤其小於5 µm，尤其小於1 µm。
如下文更詳細地解釋，液體淘析相較佳為浸出酸，其用於在常用精製方法期間浸出石英粉末。在此情況下，再循環模式中所用的自液體淘析相去除RE微粒之過濾器較佳為耐酸性過濾器。替代地或另外，液體淘析相可包含水流，其用於在自容器去除純化石英之前去除痕量的浸出酸，及可溶性產物。
此外，液體淘析相尤其在除氫氟酸以外的酸水溶液中，且用於在酸浸出之後洗滌粉末。
此外，液體淘析相尤其在水中，且用於在酸浸出之後洗滌粉末。
用作根據本發明之精製方法中之起始物質之石英粉末的來源可源自偉晶岩，即粗粒花崗質火成岩。此等通常包含長石、雲母及石英晶體以及多種多樣的RE微粒之均勻混合物。藉由例如壓碎、浸出、泡沫浮選等方法，相當大程度的石英精製係可能的；實際上，泡沫浮選為行業中之標準技術。出版物McEwen等人, 「Single-Stage Flotation of Alkali Feldspars, Ilmenite, Rutile, Gamet, and Monazite, with Mixed Cationic/Anionic Collectors」, Society of Mining Engineers, AIME, 第260卷, 第97-100頁 (1976))描述使用陽離子及/或陰離子捕收劑自石英浮選長石及其他重礦物質。但是，此等技術未實現污染性物質之完全分離，且RE微粒之許多較小晶體保留於石英粉末中且未藉由石英精製之習知方法去除。
不管RE微粒之密度顯著大於石英粒子之事實，污染性RE微粒之小尺寸出人意料地允許藉由淘析之方法步驟將RE微粒自石英粉末粒子分離。
在下文中，更詳細地描述用於石英粉末精製之淘析步驟。
首先，其具有自石英粉末去除之RE微粒自石英粉末暴露之優勢，且其次，其具有確保RE微粒在淘析步驟期間不保持結合至石英晶體之大得多的粒子之優勢。第一態樣較佳藉由石英粉末在淘析之前的合適預處理來實現，且第二態樣較佳藉由液體淘析相之適合之向上速度來實現。例如由不同表面電荷所致之RE微粒與石英粉粒之黏合(聚結)可藉由連續或間歇超音波攪拌，藉由pH值之選擇或藉由其他手段來克服。
石英粉末之一種適合之預處理可為石英粉末例如在較佳的流體化床反應器中之酸浸出及洗滌步驟，接著以特定淘析模式操作流體化床反應器。或者，此等步驟可完全在低流體流速下進行，經調節以准許在整個方法中之各個階段進行淘析。
以淘析模式操作流體化床意指酸(用於浸出步驟)或水(用於洗滌步驟)以經選擇以確保大部分的石英粒子保留於容器之下部區域中，而RE微粒被攜帶向上且越過容器頂部處之堰自流體化床系統去除之向上流動速率提供於流體化床中。如上所述，可藉由使用圓錐形狀之流體化床容器來促進分離。
酸浸出步驟可在熱氯化步驟之前進行，或者或另外，由於氯化的高溫處理可釋放一些另外將保持附著至石英粉粒之RE微粒，可能有利的是在氯化步驟之後進行浸出、洗滌及淘析。
氯化步驟為石英粉末之精製程序中常用之方法步驟，且其被稱為已知的目前先進技術。
相對於石英晶體(石英粒子之比重為2.65)，RE微粒之高密度(例如獨居石之比重為4.6至5.7，且磷釔礦之比重為4.4至5.1)可使得淘析似乎不太可能作為一種攜帶向上RE微粒手段。儘管如此，仍論證了可能在使得石英粉粒下沉，且RE微粒上升之條件下操作流體化床反應器。此由於對應粒子之實質性粒度差異而出現。因此，所關注的石英粉末之粒度通常在75至250 µm範圍內，而吾人尋求去除的RE微粒之粒度通常為小於10 µm，且常為小於5 µm，且大多數(數值上)為小於1 µm。
較小或較輕的粒子上升至頂部(溢流)，因為其終端沈降速度小於上升流體之速度。若流動為層流，且粒子係在稀懸浮液中，則任何流體介質中球形粒子之終端速度或沈降速度均可使用斯托克斯定律(Stokes' law)估算。根據此計算，上升流體之速度可根據流體化床反應器中之具體條件確定。由於相對於石英粉粒，該等粒子呈非球形形狀且其至少在容器下部區域中具有高濃度，故計算提供關於使RE微粒懸浮所需的較佳速度範圍之有用指導。
據猜測，最小RE微粒中有許多，可能全部均藉由化學或物理鍵結連接至石英粉粒，或甚至可被包含在一些粉粒內。因此，必須發現允許將此等RE微粒釋放至液體介質中之手段。正如上文已提及的，此類手段可包括在淘析工序之前進行石英粉末之酸浸出及蝕刻，該酸浸出及蝕刻視情況在超音波攪拌及高溫煅燒或熱處理影響下，視情況在含氯環境中進行，該淘析工序又可藉由超音波攪拌促進。
流體化床之攪拌可替代地在無液體再循環情況下，藉由在床底部處引入氣體，例如氮氣來實現，在此情況下，容器裝備氣體排放口，通向洗氣器。因此，被饋送氣體、或再循環酸或水的呈圓錐形構造之容器允許平緩地攪拌石英粉粒，且在粒度方面實現均質化，但當在淘析模式中時，隨著液體以高於RE微粒沈降速度之受控低速向上流動，此等RE微粒可在浴液中相對於石英粒子上升，且當液體可被過濾時，藉由溢流離開容器。
用於消除液體淘析介質以及RE微粒之溢流較佳配備有過濾器，用以在液體淘析介質再循環至流體化床反應器底部中之前，自液體淘析介質中去除RE微粒。打算使用的過濾器較佳具有等於或小於0.7 µm之過濾器孔徑，以在返回至流體化床底部之前去除雜質礦物質。
在下文中且參看圖1至圖4，描述了在石英粉末之常用精製方法中實施淘析步驟之一些較佳實施例。在所有此等實施例中，用作起始物質之石英粉末經歷標準預處理1(S1)，如粉碎、研磨、篩分、磁力及/或重力分離以及泡沫浮選，此通常產生所需粒度分佈之石英粉粒，且其基本上不含外來礦物質，但仍混雜有RE微粒。
圖1顯示根據本發明之一種方法途徑之示意圖。用作起始物質之石英粉末較佳在步驟1(S1)中藉由以下步驟中之一或多者進行預處理：粉碎、研磨、篩分、磁力及重力分離以及泡沫浮選。在第二個方法步驟S2中，經預處理之起始物質利用(例如)氫氟酸進行酸浸出，氫氟酸可與無機酸，如鹽酸或硝酸組合使用。在第三個步驟S3中，根據本發明對經浸出之石英粉末進行洗滌及淘析。淘析實現RE微粒自石英粉末之預期去除，該石英粉末最終經歷乾燥步驟S4及視情況包裝步驟S5。
圖2顯示圖1中所描述之方法之變化，其中在淘析步驟S3及乾燥步驟S4之後且在包裝步驟S5之前，浸出且乾燥之粉末隨後可藉由熱氯化步驟S6進行處理。額外的熱氯化步驟S6引起進一步純化，即，去除微量之鹼金屬，特別是鈉及鉀，以及某些過渡金屬，例如鐵。
圖3顯示圖1中所描述之方法之變化，其中在淘析步驟S3之前，石英粉末可另外藉由熱氯化S6進行處理。據信，儘管這允許去除某些雜質，如揮發性氯化物，但熱氯化方法亦可能引起石英粉粒之一定爆裂，且允許暴露且甚至釋放一些結合的稀土微粒。當在熱氯化之後進行所提出之浸出、洗滌及淘析步驟時，此可允許改進RE微粒之去除。
圖4顯示根據本發明之方法之另一個途徑。在預處理加工S1，如粉碎、研磨、篩分、磁力及重力分離以及浮選之後，用酸，如氫氟酸與鹽酸之混合物浸出石英粉末S2.1，且進行第一個洗滌及淘析步驟S3.1以去除所關注RE微粒之第一部分。在乾燥步驟S4之後，進行熱氯化S6且用相同或類似的酸進行第二個酸浸出步驟S2.2，隨後第二個洗滌及淘析步驟S3.2進一步去除RE微粒。此藉由淘析第二次去除RE微粒為特別有利的，因為在第一個淘析步驟S3.1之後進行的熱氯化步驟S6可能導致RE微粒之進一步釋放。最後，進行乾燥S4及包裝S5之常用方法步驟。圖4之此實施例獲得最高純度之石英粉末。
如上所述，在該方法之各階段期間，用受控的流體流操作所有或大部分的酸浸出及洗滌階段，由此允許RE微粒之逐步淘析可能是便利的。
在上述實施例中描述且在根據本發明之方法中進行之浸出工序使用酸，通常為氫氟酸，視情況添加有無機酸，例如鹽酸或硝酸。酸可藉由與石英粉末反應或藉由外部加熱構件加熱。氫氟酸浸出之後可為在稀鹽酸中沖洗，接著用水洗滌。
根據本發明之方法通常以洗滌石英粉末以去除酸，且自容器中排出石英粉粒結束。由於在淘析工序期間，石英係根據粒度分選，故已發現，有利地在排出之前劇烈地攪拌床以允許充分地混合石英粒子。此可藉由提供高液體流向上穿過浴液，或替代地藉由在流體化床底部引入氣體，例如氮氣攪拌該床來進行。在排出石英晶粒之漿料後，接著可提供具有均勻粒度分佈之均質化石英粉末，此係一般所需要的。接著，該粉末藉由習知手段乾燥，且被包裝用於儲存、運輸或立即使用。
可能的情況為，酸浸出工序且甚至水洗滌工序可在獨立容器中進行。然而，亦可使用單一容器進行所有此等操作，且一個適合之容器為如圖5中示意性顯示之流體化床反應器。
容器10及相關管道系統係由適合之耐酸材料，例如聚丙烯、PTFE或替代性聚合物，由塗有聚合物之金屬等製成。容器10之下部區域較佳呈錐形或圓錐形形式，因為此確保向上流動之液體之速度逐漸減小，且有助於在該方法之淘析階段期間分離細粒。在容器之底部為由適合多孔材料製成之膜，該膜將截留石英粒子，但將允許液體以及流體化的氣體穿過。多孔PTFE表示用於此膜之適合材料，但替代性材料亦為可用的。
待處理之石英粉末可經由入口11引入容器中。酸(或隨後的水)可在容器之底部引入，且向上流動以形成流體化床。由液體再循環進行之流體化可能導致石英粉末溢出，因此，當需要在無淘析之情況下進行流體化時，較佳在容器10充滿液體後，藉由在進口14處引入流體化氣體(例如氮氣)實現床之攪拌及混合。在此等情況下，氣體經由排氣口23離開，且可被導向適合之洗氣器，以去除任何噴霧或酸煙。或者，可按逐漸分離粒子之模式，用較低處理量之酸操作，且最小之粒子可被載運至容器之頂部且出現在溢出之液體中。
用酸浸出懸浮之石英粒子，且視情況用稀鹽酸沖洗，在此期間可充分地攪拌床，隨後用高純度水洗滌懸浮之粉末，同時再視情況用氣體攪拌床，接著在選擇允許淘析的減少的液流下操作該床，即，使RE微粒上升，但(較大)石英粒子下沉。藉由緩慢再循環水，使流體化床中之粉末根據粒度分離。由於容器呈錐形形狀，使得流體之向上速度隨著高度增加而減小。因此，具有最高沈降速度之最大石英粒子朝向容器之底部聚集，而較小的石英粒子在容器上方較高處積累。沈降速率低得多的RE微粒被攜帶向上，且當容器裝滿液體時，使其聚集在容器之上部區域12中，接著經由環形堰板19溢出。接著，此等微粒被收集在孔徑等於或小於0.7 µm之微細過濾器20處，而淘析液體可被再循環。
在圖5中，使用以下元件符號： 10   流體化床浸出及洗滌容器 11   待精製之石英粉末之進口 12   呈淘析模式之流體化床 13   精製石英粉末之出口 14   可選流體化氣體之進口 15   液體循環泵 16   浸出酸之進口 17   洗滌水之進口 18   液體出口 19   環形堰板 20   用於耐火粉末之微細過濾器 21   上清液中之微粒 22   微粒之出口 23   充氣氣體之通氣口 24   超音波探針
較佳地，在酸處理及隨後的淘析期間對容器、再循環液體或兩者進行適當加熱。藉由控制pH值、藉由添加抗絮凝劑、螯合劑等可促進較大石英粉粒中微粒之解聚，且藉由超音波攪拌或其他手段可有助於該解聚。加熱液相可有利於增加此等工序中一些工序之有效性。
雖然適合設計之單一容器足以確保在當前情況下大幅去除污染性RE微粒，但可採用串聯連接的第二個或其他容器。因此，來自第一容器之溢流可被引導至直徑較大且逐漸增加的第二容器之輸入中。以此方式，可實現RE微粒之更明顯分離，此係必要的。
在消除微粒之後，且在自流體化床排出石英粒子漿料之前，較佳地是，有效地攪拌漿料以例如藉由使氣體(例如氮氣)向上穿過床，或替代地藉由引入較高流量之水來混合分離之石英層。在適當地均質化後，可經由出口13將漿液排出至適合容器中以藉由習知手段進行過濾及隨後的乾燥。
此外，本發明係關於淘析步驟之用途，該步驟藉由去除稀土礦物質來精製石英粉末。確切地說，此用途之特徵在於所主張之方法之以上所提及之特徵。
最後，本發明係關於一種精製石英粉末，其可根據以上所提及之精製工序獲得。鑒於自先前技術已知之彼等粉末，此等精製石英粉末為新穎的。根據本發明之上述方法提供了在摻雜有RE微粒之石英粒子之混合物中將RE微粒與較大石英粒子分離之能力。因此，根據本發明之精製石英粉末包含相較於石英粉末降低含量之RE微粒，該等石英粉末可藉由根據例如US 6,746,655、EP 1 942 078 A及CA 1 184 740 A之方法獲得。此等先前技術參考文獻中所描述之方法至少不適合以根據本發明之方法首次提供之效率減少石英中RE微粒。實驗部分
藉由參考以下實例，將更詳細地解釋本發明，此等實例並不限制所主張之發明。
首先，藉由基於已知添加有RE微粒之典型精製石英粉末混合物之淘析試驗獲得方法之實驗驗證，該等RE微粒係預先自大量此類石英粉末中提取。絕大多數此等粒子之尺寸在數字上小於5 µm。不過，偶爾亦可在SEM照片中看到尺寸為10 µm或甚至20 µm之較大粒子(圖6)。
此等試驗中使用之石英粉末為可商購的精製石英粉末，該石英粉末已藉由熱氯化精製方法進一步處理(通常石英粉末之純度超過99.998% SiO2 ，標稱粒度為85-225 µm)，其中添加有稱重部分之RE微粒，該等RE微粒預先自如圖6中所見之石英粉末得到。實例 1
製備包含20公克精製石英粉末之漿液，該石英粉末中已添加有0.0125 g RE微粒。在商購的超音波清潔浴內，將包含在玻璃容器中之漿液攪拌2分鐘，接著將其添加至淘析管柱中，在該淘析管柱中，水以使得石英粒子全部下降，而水在頂部處溢出之速率緩慢地流動。溢出之水經由0.7 µm孔徑之玻璃纖維過濾器過濾。接著，用稀氫氟酸處理過濾器及殘留物以溶解玻璃纖維，留下石英及RE微粒之殘留物。在去除氫氟酸之後，使用密度分離方法加工經淘析之細粒，該密度分離方法形成專利US 9,776,194 B中所述之分析方法之一部分。使用此方法，回收到0.0025 g RE微粒，指示自初始石英樣品中去除20%之此等粒子。
在本實例1中用作起始物質之精製石英粉末並不對應於由本實例中進行之方法獲得之最終石英粉末。
精製石英粉末起始物質為可商購的且尚未經歷進一步處理以去除RE微粒。僅去除所添加之RE微粒且不去除其他RE微粒之事實不意味著起始物質不含RE微粒，因為實例係以小規模進行的，且在小規模之起始物質中，存在極少的RE微粒，而且可能需要例如在HF蝕刻時使用以自石英粉末中釋放一部分現有的RE微粒。所稱重之微粒之差異將為最小的，但仍存在。實例 2
重複先前之試驗，即，20 g石英中摻雜0.0085 g RE微粒。淘析之後，使用相同技術回收到0.0032 g RE微粒，指示自初始石英粉末中分離且回收到38重量%之RE微粒。實例 3
重複先前之實例，但量測到水以120 mm/min之速度向上流動且淘析持續90分鐘。處理摻雜有0.0095 g RE微粒之20 g石英，回收到0.0064 g RE微粒，指示自初始石英粉末中分離且回收到67重量%之RE微粒。
根據斯托克斯定律，假定水在20℃下對球形粒子具有黏滯曳力，提供淘析工序之模型，且在20℃下，石英(2.65 g/cm3 )及典型稀土磷酸鹽(4.75 g/cm3 )在水中之密度產生圖7A中所顯示之兩種材料之粒子之沈降速度的曲線。看起來約240 mm/min之向上速度應允許大於約67 µm之石英粒子下沉，而小於約45 µm之稀土磷酸鹽粒子應上升，且可自整個石英砂中去除。
上文呈現之實例提供了關於操作條件之指導，且熟習此項技術者藉由簡單的實驗可容易地發現較佳的向上流動速度。欲施加之流動速度取決於流體介質之性質、操作溫度及黏度以及容器之形狀。此外，上文所提及之斯托克斯定律計算提供充分指導。已知溫度及黏度亦可具有顯著影響。若採用加熱之流體(例如在酸浸出工序期間)，則淘析可為有利的。在60℃下，兩種參數在水中之作用可見於圖7B，自圖中可得出結論，在240 mm/min之向上流動速度下，預期大於45 µm之石英粒子可能下沉，而預期小於30 µm之稀土磷酸鹽粒子可能上升，且出現在溢出之流體中。
另一個選擇為以淘析模式操作浸出工序。可得到在約25℃溫度下氫氟酸水溶液(30 wt%)之密度及黏度之圖。圖7C顯示在此等條件下估算之石英及RE微粒之沈降速度。曲線圖指示，在240 mm/min之向上速度下，預期大於70 µm之石英粒子應下降，而預期小於45 µm之RE微粒應上升，且應載運在溢出之液體中而自容器去除。
在此基礎上，且由於石英之標稱粒度範圍為85-225 µm(如上所述)，故決定較佳在具有240 mm/min之向上流動速度之水管柱中進行定量實驗。實例 4
如圖8中所示，由PVC部件組裝併入超音波攪拌之實驗性淘析管柱。管柱自身(30)包含具有68 mm孔且長度為500 mm之圓柱形管，且其在上端處配備有溢流(32)。在下端處為水之入口(31)及多孔PTFE盤(33)，水藉由多孔PTFE盤以已知速率供應。需要時，超音波探針(34；Qsonica，Q55)允許以受控功率進行超音波攪拌。
超音波攪拌並非必需的，但相信其將有益於輔助RE微粒自石英粉粒脫離。因此，在以淘析模式操作期間，且當試圖淘析RE微粒時，超音波攪拌應以低功率進行，或替代地間歇地施加，且僅持續短暫時間段，以便不會在液相中引起劇烈運動。
淘析器連接至約20℃溫度之脫礦質水之供應源，且流動速率被調整成在管柱中提供240 mm/min之平均向上速度。
將包含摻雜有0.0112 g RE微粒之40.0 g石英粉粒之漿液添加至淘析管柱敞開的頂部中。將超音波攪拌施加至漿液，持續15秒(且控制盒之振幅設定成70)。使淘析器操作30分鐘，在此期間，每5分鐘施加超音波攪拌10秒。
在管柱頂部上洗掉的粒子收集在具有標稱0.7 µm粒子滯留之Whatman GF/F玻璃纖維過濾器盤上。
隨後，將玻璃過濾器溶解於氫氟酸中，留下RE微粒及石英之殘留物。在去除氫氟酸之後，使用專利US 9,776,194 B2中所描述之重礦物分析方法分離RE微粒及剩餘石英粒子，且回收到0.0101 g RE微粒，指示自初始石英粉末分離及回收到90.2重量%之RE微粒。
在此等條件下操作淘析工序亦自起始物質去除部分最細的石英粒子，即在開始時引入之1.0190 g，或2.5重量%石英。此等石英粒子中大部分粒子(75%)之尺寸小於80 µm (所處理之石英粉末之指定下限)。
因此，自此等圖顯而易見用淘析自精製石英粉末中消除相當大比例之RE微粒之潛力。實例 5
可商購或描述的石英玻璃粉末之分析
關於在若干年內一級粉末之平均分析圖顯示於下表2(ppM)中。此等圖係藉由此公司之實驗室分析獲得，且亦顯示了由此等粉末製造之火焰熔融石英錠之分析圖。 表2
      Al Ca Cr Cu Fe Ge K Li Mg Mn Na Nd Ti Y Zr
粉末 平均值 14.0 0.36 0.02 0.05 0.09 1.05 0.30 0.51 0.02 0.01 0.22 0.03 1.04 0.11 0.37
錠 平均值 13.9 0.33 0.01 0.03 0.05 0.92 0.25 0.24 0.01 0.01 0.26 0.02 1.05 0.14 0.86
值得注意的是，鋯含量看來因熔融而增加，且最可能的解釋為，石英玻璃熔融可使得一些氧化鋯溶出，使其更易溶於用於製備分析溶液之氫氟酸中。定期分析之唯一稀土雜質為存在量平均剛好超過0.1 ppM之量的釔。然而，該圖在一段時間內變化，且範圍在0.05與0.32 ppM之間。其他稀土元素，即釷及鈾，係以較小量存在，但其可預期在類似範圍內波動，此取決於提取出石英的礦石主體之品質。
當將此類粉末與玻璃熔融時，上表中所列之元素可呈可溶於玻璃中之形式存在，且因此，可相對均勻地分佈於溶液中。此外，此等元素亦可溶於用於製備分析用溶液之酸(通常為氫氟酸)中，使此類分析變得相對容易。然而，上表中未顯示以低得多的含量存在但可作為離散粒子存在之大部分稀土元素、或釷及鈾，其可在熔融期間及之後保持未解離且不可溶於玻璃中。關於此等局部雜質之分析存在問題，特別是當雜質之存在濃度可能低於1 ppM時。此等雜質在玻璃中之濃度可在樣品中大幅變化，且此外，其常常呈複雜的耐火磷酸鹽形式，該等耐火磷酸鹽不可溶於用於製備分析用溶液之酸中。此意味著分析師必須藉助能夠分析低含量雜質之替代性技術，例如針對藉由粉末熔融製備之玻璃之中子活化分析，且甚至然後，中等尺寸之樣品可能不包括代表性數量之相關微粒。
作為一個實例，使用來自同一來源之兩批粉末製備由火焰熔融產生之兩個火焰熔融石英錠，且此等石英錠經歷核活化分析，且結果顯示於表3中。此等結果展示此等重要雜質之濃度可出現之波動範圍。 表3
偵測限 樣品 1 樣品 2 粉末
ppB ppB ppB
錠 1 Y 10 230 220 1
Th 10 31 21
U 10 42 34
錠 2 中心 Y 10 55 58 2
Th 10 ＜10 10
U 10 47 40
錠 2 邊緣 Y 10 46 44 2
Th 10 ＜10 10
U 10 50 52
在由本申請人研究來自兩個不同供應商之數種高純度石英粉末之粉末較長時間段所開發之另一組分析資料中，已發現，鈰、釔、釷及鈾之含量一般在下表4中所示之範圍內。此等粉末與玻璃藉由在由耐火金屬製造之坩堝中熔融而熔融成棒及管之形式，產物連續地拉伸穿過設定於坩堝底座中之模具。 表4
   ppB
Ce 30 至 120
Y 20 至 145
Th 15 至 60
U 20 至 60
雖然此等值可能看來相對較小，但應注意，此等雜質並非均勻地分散，而是以大量微粒之形式存在，其中大部分具有亞微米尺寸(參見圖6)，其各自可在某些半導體應用中使用玻璃之情況下引起纖維斷裂或產率損失。
在熔融石英中已偵測到微粒污染，該熔融石英為例如在由電加熱之耐火金屬坩堝熔融及拉伸之玻璃，以及由電漿噴熔(例如US 6,269,663)石英晶體粉末形成且積累於光纖預成型體外表面上形成包含熔融天然石英粉末之包層之玻璃中藉由各種技術，例如藉由火焰熔融、藉由電熔融製造。
在此類可商購的精製石英粉末中，此等耐火微粒之尺寸一般小於25 µm，通常小於5 µm，實際上大部分通常遠小於1 µm。由於此等微粒之惰性極強且熔點極高，故已證實此等微粒難以自石英粉末消除。
如上所述，光纖斷裂研究已展示，當存在於包層玻璃中時，尺寸小於0.5 µm之粒子可能使光纖斷裂。結果，多年來，大部分光纖行業一直要求合成熔融石英，由此可保證不存在此類粒子。
高品質熔融石英組分亦被用於製造半導體晶圓，且另外，在某些應用中，此等耐火粒子可能成為引起產率損失之原因。因此，熔融石英組分被用於在涉及含氟氣體之電漿蝕刻方法中蝕刻晶圓表面期間支撐晶圓，在此期間，亦可能發生石英組分之一定蝕刻。此可能係可接受的，因為此類蝕刻之產物為氣態的，即四氟化矽SiF4。然而，若耐火微粒在此方法中暴露，則其可產生粉塵，由此可污染晶圓，導致不可接受的產率損失。此外，值得注意的是，此等耐火礦物粒子中有一些含有釷及鈾，且此類放射性物種之存在係半導體製造製程中特別不合需要的。
因此，顯而易見的是，對於光纖及半導體應用，若此等微粒在石英精製過程中被消除或至少基本上減少，則熔融石英係可接受的。另外，對於重要應用，有必要使用合成熔融二氧化矽，其可不含此類耐火內含物。
10:容器 11:入口/進口 12:上部區域/流體化床 13:出口 14:進口 15:液體循環泵 16:進口 17:進口 18:液體出口 19:環形堰板 20:微細過濾器 21:微粒 22:出口 23:排氣口/通氣口 24:超音波探針 30:淘析管柱 31:水進口 32:出口 33:多孔PTFE膜 34:超音波探針 S1:標準預處理1/步驟1/預處理加工 S2:酸浸出步驟 S2.1:酸浸出步驟 S2.2:酸浸出步驟 S3:洗滌及淘析步驟 S3.1:洗滌及淘析步驟 S3.2:洗滌及淘析步驟 S4:乾燥步驟 S5:包裝步驟 S6:熱氯化步驟
圖1顯示根據本發明之一種方法途徑的示意圖。
圖2顯示圖1中所描述之方法的變化，其中在淘析步驟S3及乾燥步驟S4之後且在包裝步驟S5之前，經浸出及乾燥之粉末隨後可藉由熱氯化步驟S6進行處理。
圖3顯示圖1中所描述之方法的變化，其中在淘析步驟S3之前，石英粉末可另外藉由熱氯化S6進行處理。
圖4顯示根據本發明之方法的另一途徑。
圖5示意性地顯示流體化床反應器。
圖6顯示石英粉末之SEM照片。
圖7A為顯示20℃下石英和稀土磷酸鹽於水中之粒子沈降速度的曲線圖。
圖7B為顯示60℃下石英和稀土磷酸鹽於水中之粒子沈降速度的曲線圖。
圖7C顯示在特定條件下估算之石英及RE微米粒子之沈降速度。
圖8顯示由PVC部件組裝併入超音波攪拌之實驗性淘析管柱。
S1:步驟1
S2:酸浸出步驟
S3:洗滌及淘析步驟
S4:乾燥步驟
S5:包裝步驟

Claims (15)

  1. 一種精製石英粉末之方法，其包含藉由淘析步驟自該石英粉末分離出耐火礦物質之微粒之步驟，其特徵在於該等耐火礦物質之微粒包含含有稀土金屬及/或釷及/或鈾之礦物質，且該淘析步驟在流體化床反應器中進行， 其中提供液體淘析相之受控上升流，藉此使得該等耐火礦物質之微粒在該流體化床反應器中被攜帶向上，而該石英粉末保留於該流體化床反應器之下部區域中。
  2. 如請求項1之方法，其中在該流體化床中被攜帶向上的該等耐火礦物質之微粒自該流體化床反應器中排出或與該液體淘析相分離。
  3. 如請求項2之方法，其中該液體淘析相再循環至該淘析步驟，且藉由過濾將其中所含之該等耐火礦物質之微粒與該淘析相分離。
  4. 如請求項3之方法，其中使用孔徑為0.7 µm或更小之過濾器，藉由過濾將該等耐火礦物質之微粒與該淘析相分離。
  5. 如請求項4之方法，其中該過濾器為耐酸性過濾器。
  6. 如請求項1至5中任一項之方法，其中該等耐火礦物質之微粒與該石英粉末之分離藉由淘析之前或期間之超音波攪拌來促進。
  7. 如請求項1至5中任一項之方法，其中該淘析步驟係在煅燒及/或熱氯化步驟之前或之後進行。
  8. 如請求項1至5中任一項之方法，其中在自該流體化床反應器去除之前，該精製石英粉末之粒度分佈被均質化。
  9. 如請求項8之方法，其中該精製石英粉末之該均質化係藉由攪拌，尤其藉由液體或氣體流動或藉由超音波來進行。
  10. 如請求項1至5中任一項之方法，其中待精製之該石英粉末之尺寸為75至1000 μm，而稀土礦物質之粒度為小於50 μm。
  11. 如請求項1至5中任一項之方法，其中該液體淘析相為浸出酸，尤其是包含氫氟酸、鹽酸、硝酸及硫酸中之一或多種之酸水溶液。
  12. 一種精製石英粉末之方法，其包含藉由淘析步驟自該石英粉末分離出耐火礦物質之微粒之步驟，其特徵在於待精製之該石英粉末之尺寸為75至1000 μm，而該等耐火礦物質之微粒之粒度為小於50 μm。
  13. 一種淘析步驟之用途，其用於藉由去除稀土礦物質來精製石英粉末，其特徵尤其在於請求項1至12中任一項之特徵中之任一者。
  14. 一種精製石英粉末，其可如請求項1至12中任一項之精製方法獲得。
  15. 一種熔融石英玻璃，其由如請求項14之精製石英粉末製成。
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