中国粉体网讯 在高纯石英提纯中，热处理法凭借其独特的工艺和显著的效果，成为研究和应用的重点方向。热处理法主要包括高温焙烧、微波加热和氯化焙烧3种工艺，每种工艺都在高纯石英提纯过程中发挥着重要作用。
高温焙烧和微波加热作为传统的热处理工艺，常被用于石英提纯过程中的预处理除杂。高温焙烧法的原理是通过焙烧石英，使包裹体达到均一温度，并持续加热至包裹体的内部应力超出石英承受限度而爆裂，后续再用酸溶解这些包裹体杂质。在这个过程中，高温焙烧会使石英因相变而体积膨胀，导致石英表面产生裂纹。继续水淬能使裂纹加深且增多，这不仅促进了更多杂质暴露，方便后续酸浸去除，而且煅烧后石英因材质变脆，其碎磨的成本也得到降低。
胡祥琳等将浮选后的石英在900℃下焙烧7h后水淬，活化石英表面，增加了石英与酸液作用的活性位点暴露程度，酸浸后得到的石英砂中SiO2含量可达99.995%。
微波加热则是一种内部加热方式，所加热材料的介电常数和极性越大，吸波能力越强，也就越容易加热。像磁铁矿等矿物杂质吸波能力较强，属于极其活跃的矿物，包裹体杂质以及晶格杂质也能够吸波，而SiO₂相对不活跃。
Hou等研究显示，当微波加热石英砂至600℃时，气液夹杂物界面会出现裂纹，增大微波功率加热石英砂至900℃时，大多数气液夹杂物可以得到去除。由于石英在870℃时的晶型转化会导致较大的体积膨胀率，所以高温焙烧和微波加热的温度一般控制在900℃左右，并且常作为石英酸浸的前置工艺。
氯化焙烧由于能够有效去除晶格杂质，成为石英深度提纯的关键技术手段。它是在焙烧石英时通入氯化氢气体等氯化剂，使石英杂质转化为气相或凝聚相的氯化物，从而脱离原有矿物体系。根据焙烧温度和产物形态的差异，氯化焙烧可细分为中温焙烧（氯化焙烧-浸出法）、高温焙烧（氯化挥发法）和氯化-离析三种类型。
中温氯化焙烧时，反应生成的氯化物会留于石英砂中，需由后续的酸浸去除。比如林敏以NH4Cl-H2SO₄浸出体系提纯后石英为原料，在900℃下掺杂2‰KCl焙烧45h，再热压酸浸4h，所得石英SiO2含量达99.997%，总杂质元素去除率达70.4%。高温氯化焙烧则是在高温下，反应生成的氯化物以气体的形式逸出体系。
潘俊良在焙烧温度900℃条件下，使用流速为600mL/min的Cl₂对石英砂进行60min的氯化焙烧，样品杂质含量由29.4×10-⁶降至23.3×10-⁶。
娄陈林等通过高温氯化提纯石英砂，发现干燥HCl、Cl₂或Cl₂/HCl混合气均对Na、Fe、K等金属杂质有明显去除效果，其中干燥HCl气体的提纯效果较好。氯化-离析法是在高温氯化的基础上加入还原剂，将金属杂质离子还原为金属单质，然后通过物理选别去除。在工业生产过程中，一般采用HCl气体进行高温氯化焙烧。
不过，高温氯化焙烧的除杂效率受化学反应和扩散过程影响显著。为提升除杂效率，魏娇阳等人开发了基于气氛调控的靶向氯化工艺，通过调控反应场的气体组成或氧分压，实现杂质的定向氯化，强化杂质组元的氯化反应；还开发了变压快速氯化工艺，通过动态调控氯化炉内气流速度和压强，强化气体传质和杂质扩散，大幅提升氯化除杂效率。
晶体结构杂质氯化反应过程
在高温氯化过程中，石英砂间隙杂质脱除效率高于晶格杂质，刘慧阳等从原子层面解析了原因，即Al等晶格杂质氯化过程伴随着电荷补偿的碱金属离子等间隙杂质的氯化脱除，但电荷补偿离子由于与晶格杂质化学作用较弱，因而氯化挥发时未必会导致晶格杂质的脱除。
随着高纯石英砂氯化提纯工艺的发展，微波氯化焙烧的研究逐渐增多。宋望峰将石英砂在NH4Cl掺杂量2%、900℃的条件下微波氯化焙烧2h，再由含氟混合酸在110℃条件下酸浸2h，石英砂中Al含量由738.8×10-⁶降至17.9×10-⁶。在微波场中，吸波性能较好的石英包裹体升温速率大于石英基体，这促使包裹体因与基体温差较大而热爆裂，能够为氯化反应的进行创造有利条件。
全球高新技术产业蓬勃发展，高纯石英在半导体、光伏等领域需求攀升，纯度要求更高。热处理法是高纯石英提纯的重要方式，其包含的高温焙烧、微波加热和氯化焙烧工艺相辅相成，有助于获取高纯石英。
然而，该方法面临诸多挑战。高温焙烧和微波加热在杂质去除方面有提升空间，包裹体蚀坑易引入新杂质；氯化焙烧工艺复杂，核心技术被美国尤尼明公司封锁，其借此脱除Ti提升产品竞争力，而国内对氯化焙烧机理、氯化剂和催化剂研究不足，技术发展受阻。
因此，加大对热处理法，尤其是氯化焙烧工艺的研究力度刻不容缓，这对突破国外技术封锁、实现我国高纯石英提纯技术自主发展意义重大。
参考来源：
[1]魏娇阳,刘慧阳等.高纯石英砂提纯技术研究进展
[2]施娅颖,王小强等.高纯石英的杂质类型及深度提纯技术研究进展
[3]武志超,张海啟等.高纯石英应用及化学提纯技术研究进展
(中国粉体网编辑整理/九思)
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