一种高纯石英砂制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种高纯石英砂的制备方法，具体涉及一种应用于单晶硅电弧石英坩埚制备用的高纯石英砂提纯技术。本方法采用石英石为基本原料，通过粗洗、破碎、焙烧、水淬、粉碎分级、电场诱导扩散、热压酸洗、热压碱洗、电场干预浮选、氯化处理、烤砂、磁选等步骤，获得杂质总量控制在16ppm以内、纯度大于99.99%的高纯石英砂。其中采用电场诱导扩散技术引导石英石中杂质离子扩散至石英砂粒表面，进而采用热压酸洗与热压碱洗工艺大幅提高了石英砂中杂质浸出效率，采用电场干预浮选技术提高了杂质颗粒的浮选清除效率。
【专利说明】-种高纯石英砂制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高纯石英材料制备【技术领域】，具体涉及一种应用于单晶娃电弧石英巧 巧制备用的高纯石英砂提纯技术。
[0002]
【背景技术】
[0003] 高纯石英砂是制造石英玻璃、太阳能电池和集成电路芯片的主要原材料，大量应 用于信息电子、新能源、新材料等【技术领域】，在石英玻璃、集成电路芯片、太阳能电池、光纤、 激光器件等领域有着广泛的应用。
[0004] 随着科学技术的进步，光电源、电子工业、光通讯、集成电路等高科技产业迅猛发 展，对高纯度的石英原料的需要量很大。如在单晶娃材料制备过程中，石英巧巧是直拉单晶 娃生长过程中的重要材料，优质、高纯单晶娃的生长首先要求严格控制石英巧巧材质中的 杂质含量。生产石英巧巧时所用原料要求其纯度高、一致性好，粒度分布均匀。如其有害成 分高时还会影响到石英巧巧的耐温性，同时出现气泡、色斑、脱皮等现象，严重时造成石英 巧巧软化漏娃。
[0005] 早期我国高纯石英砂大部分是从水晶中制取的。水晶在我国的储量有限，并且由 于分布呈现不规则状态，价格昂贵，质地不均匀，有些矿物杂质和工业过程中的混杂物不可 能除掉，导致高纯石英砂生产的批量较小，质量不稳定。同时生产过程中对水晶原料的质量 要求很高，通常要求其Si&纯度大于99. 9%、甚至99. 99%，允许的杂质含量非常低，因此只 有高品质天然一、二级水晶能达到要求。随着天然水晶资源、特别是高品级天然水晶资源的 日趋枯竭，开发优质、高效的石英原料提纯技术就成为满足高纯石英原料应用需求的一项 关键技术。
[0006] 目前，利用自然界大量存在的娃石，经提纯后制备高纯石英原料已成为代替天然 水晶的最为有效的途径。国外早在20世纪70年代就开始研究利用石英砂制备高纯石英 砂的技术，目前美国处于领先水平。我国自20世纪80年代起开始石英砂原料的提纯和生 产工作，也取得了较大进展。现有传统的石英砂的制备工艺为：粗选一破碎一赔烧一水碎 一粉碎一除铁一酸洗一浮选等工艺，最后制成80-100目的产品。该种提纯工艺较难有效 去除石英内部的包裹杂质，特别是内部的碱金属离子钟、轴等的去除效果更差，石英砂纯度 难W提高。如现有技术中，CN101391871公开了 "一种制备高纯石英砂的方法"，将干燥后 的石英砂置于高浓度的硫酸、盐酸、硝酸或氨氣酸中，除去石英砂中的微量金属和非金属杂 质，该种酸浸工艺中杂质浸出效率偏低，不能对石英砂内部杂质进行深度去除。CN1562743A 和CN102180584A分别采用"冷爆炸"和"微波加热"技术试图在石英砂表面产生微裂纹，W 增加石英砂粒中杂质的溶出量，但对于固态石英砂内部的杂质离子扩散和溶出来说影响有 限。因此，开发一种大幅提升石英砂粒内部杂质离子的溶出效率和杂质颗粒浮选清除效率 的高纯石英砂材料制备技术意义重大。
[0007]
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于为了解决石英砂粒中杂质离子溶出、酸洗、碱洗W及浮选效率 较低等问题，在现有石英砂提纯技术的基础上，采用电场诱导扩散、热压酸洗、热压碱洗、电 场干预浮选等新技术大幅提升杂质溶出效率和清除效率，克服上述现有技术中的不足，提 供一种制备高纯石英砂的方法。
[0009] 本发明的技术方案是；整个提纯工艺步骤依次包括：粗洗、破碎、赔烧、水浑、粉碎 分级、电场诱导扩散、热压酸洗、热压碱洗、电场干预浮选、氯化处理、烤砂、磁选。
[0010] 首先选取二氧化娃含量在99. 95% W上的石英石为原料，经两次清洗除杂处理并 破碎至直径1至5厘米后，置于电炉中加热至85(T95(rC恒温2小时后水浑，并除杂、粉碎 至50-180目，得到粉碎石英料。
[0011] 将粉碎石英料置于20(T60(rC温度下，利用金属电极施加强度为20(T500V/cm的 直流电场，加载时间为2^12h，进行电场诱导扩散。
[0012] 将粉碎石英料置于耐压反应蓋中，加入浓度为25^33%的盐酸和36^44%的氨氣 酸，浸没并密闭，加热至5(Tl5(rC酸浸48 h，然后滤除酸液并冲洗直至完全除酸。
[0013] 将粉碎石英料置于耐压反应蓋中，加入浓度为广1.5%的碳酸轴溶液，浸没并密 闭，加热至5(Tl5(rC碱浸1-化，然后滤除碱液并冲洗直至完全除碱。
[0014] 将经酸洗、碱洗的石英料置于5(Ti5(rc温度下，利用金属电极施加电场强度 为200?500V/cm的直流电场广化，而后投入浮选机内进行浮选，浮选后滤除浮选液，用 4(TC -6(TC的纯水冲洗直至完全去除浮选液。
[0015] 用4(TC -6(TC的纯水浸没经浮选的石英料，并通入氯气进行氯化处理，氯化处理 后滤除处理液，再用75 % -99 %的酒精浸没，醇洗60-80分钟，滤除醇洗液，用纯水冲选直至 完全去除醇洗液，再投入烤砂机进行78(TC -85(TC的烘烤，烤完再用磁选机进行磁选，并筛 分后得成品。
[0016] 在石英砂提纯过程中，引入电场诱导扩散技术。将石英砂置于较高温度下并施加 直流电场，在直流电场的诱导下存在于石英砂粒内部的碱金属和碱±金属离子可从砂粒内 部扩散到表面，因而在酸洗过程中易于清除。
[0017] 在石英砂热压酸洗和热压碱洗过程中，整个反应过程置于耐压反应蓋中密闭。当 温度提高后至酸碱溶液沸点后，反应蓋内压力大幅提高，在高温高压状态下可大幅提高酸 洗和碱洗效率。
[0018] 在浮选过程中，首先将经过酸洗、碱洗的石英砂粒置于直流电场中，可W改变砂粒 表面、尤其是杂质颗粒表面电荷吸附状态，进而在浮选过程中杂质颗粒容易漂浮而被清除， 可明显提升浮选效率。
[0019] 本发明具有W下有益效果： 在传统石英砂提纯工艺中引入电场诱导扩散技术可W将原来难W除去的石英砂粒内 部杂质拉至颗粒表面，热压酸洗和热压碱洗技术大幅提高杂质离子的溶出效率，进而利用 电场干预浮选技术提高杂质颗粒的浮选清除效率。通过简单而实用的工艺技术创新可大幅 提升高纯石英砂的提纯效率和纯度，具有明显的经济和实际应用价值。
[0020]
【具体实施方式】
[0021] 选取二氧化娃含量在99. 95% W上的石英石为原料，依次经过粗洗、破碎、赔烧、 水浑、粉碎分级、电场诱导扩散、热压酸洗、热压碱洗、电场干预浮选、氯化处理、烤砂、磁选 等工艺步骤，可获得高纯度优质石英砂产品。
[0022] 表1为高纯石英砂提纯工艺的部分工艺参数和产品性能 实施例1 选取纯度在99. 95% W上的石英石为原料，经粗洗、破碎、赔烧、水浑、粉碎分级后，置 于20(TC温度下施加强度为200V/cm的直流电场化，进行电场诱导扩散。而后置于耐压反 应蓋中，加入浓度为25%的盐酸和36%的氨氣酸，加热至5(TC酸浸48 h。再将粉碎石英料 置于耐压反应蓋中，加入浓度为1%的碳酸轴溶液，加热至5(TC碱浸比。将经酸洗、碱洗的 石英料置于50°C温度下，利用金属电极施加电场强度为200V/cm的直流电场比，而后投入 浮选机内进行浮选，再经氯化处理、烤砂、磁选等工艺步骤得到杂质总量在16PPM W下的高 纯石英砂。
[002引 实施例2 选取纯度在99. 95% W上的石英石为原料，经粗洗、破碎、赔烧、水浑、粉碎分级后，置 于30(TC温度下施加强度为500V/cm的直流电场化，进行电场诱导扩散。而后置于耐压反 应蓋中，加入浓度为25%的盐酸和40%的氨氣酸，加热至8(TC酸浸48 h。再将粉碎石英料 置于耐压反应蓋中，加入浓度为1%的碳酸轴溶液，加热至12(TC碱浸比。将经酸洗、碱洗的 石英料置于l00°C温度下，利用金属电极施加电场强度为300V/cm的直流电场化，而后投入 浮选机内进行浮选，再经氯化处理、烤砂、磁选等工艺步骤得到杂质总量在15PPM W下的高 纯石英砂。
[0024] 实施例3 选取纯度在99. 95% W上的石英石为原料，经粗洗、破碎、赔烧、水浑、粉碎分级后，置 于40(TC温度下施加强度为400V/cm的直流电场化，进行电场诱导扩散。而后置于耐压反 应蓋中，加入浓度为30%的盐酸和40%的氨氣酸，加热至IOOC酸浸48 h。再将粉碎石英 料置于耐压反应蓋中，加入浓度为1. 5%的碳酸轴溶液，加热至5(TC碱浸化。将经酸洗、碱 洗的石英料置于50°C温度下，利用金属电极施加电场强度为200V/cm的直流电场比，而后 投入浮选机内进行浮选，再经氯化处理、烤砂、磁选等工艺步骤得到杂质总量在13PPM W下 的高纯石英砂。
[00巧]实施例4 选取纯度在99. 95% W上的石英石为原料，经粗洗、破碎、赔烧、水浑、粉碎分级后，置 于50(TC温度下施加强度为300V/cm的直流电场她，进行电场诱导扩散。而后置于耐压反 应蓋中，加入浓度为30%的盐酸和40%的氨氣酸，加热至14(TC酸浸48 h。再将粉碎石英 料置于耐压反应蓋中，加入浓度为1%的碳酸轴溶液，加热至14(TC碱浸比。将经酸洗、碱洗 的石英料置于150°C温度下，利用金属电极施加电场强度为400V/cm的直流电场化，而后投 入浮选机内进行浮选，再经氯化处理、烤砂、磁选等工艺步骤得到杂质总量在12PPM W下的 高纯石英砂。
[0026] 实施例5 选取纯度在99. 95% W上的石英石为原料，经粗洗、破碎、赔烧、水浑、粉碎分级后，置 于60(TC温度下施加强度为200V/cm的直流电场12h，进行电场诱导扩散。而后置于耐压反 应蓋中，加入浓度为33%的盐酸和44%的氨氣酸，加热至15CTC酸浸48 h。再将粉碎石英 料置于耐压反应蓋中，加入浓度为1. 5%的碳酸轴溶液，加热至15CTC碱浸比。将经酸洗、碱 洗的石英料置于15(TC温度下，利用金属电极施加电场强度为500V/cm的直流电场化，而后 投入浮选机内进行浮选，再经氯化处理、烤砂、磁选等工艺步骤得到杂质总量在IlPPM W下 的高纯石英砂。
[0027]表 1
【权利要求】
1. 一种高纯石英砂制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下各步骤：粗洗、破 碎、焙烧、水淬、粉碎分级、电场诱导扩散、热压酸洗、热压碱洗、电场干预浮选、氯化处理、烤 砂、磁选。
2. 根据权利要求1所述的高纯石英砂制备方法，其特征在于：选取二氧化硅含量在99. 95%以上的石英石为原料，经两次清洗除杂处理并破碎至直径1至5厘米后，置于电炉中 加热至85(T970°C恒温2小时后水淬，并除杂、粉碎至50-180目，得到粉碎石英料。
3. 根据权利要求1所述的电场诱导扩散方法，其特征在于：将粉碎石英料置于 20(T60(rC温度下，利用金属电极施加强度为20(T500V/cm的直流电场，加载时间为2?12h。
4. 根据权利要求1所述的热压酸洗方法，其特征在于：将粉碎石英料置于耐压反应釜 中，加入浓度为25?33%的盐酸和36?44%的氢氟酸，浸没并密闭，加热至5(Tl50°C酸浸48 h，然后滤除酸液并冲洗直至完全除酸。
5. 根据权利要求1所述的热压碱洗方法，其特征在于：将粉碎石英料置于耐压反应釜 中，加入浓度为1~1. 5%的碳酸钠溶液，浸没并密闭，加热至5(T150°C碱浸l_2h，然后滤除碱 液并冲洗直至完全除碱。
6. 根据权利要求1所述的电场干预浮选方法，其特征在于：将经酸洗、碱洗的石英料置 于5(T150°C温度下，利用金属电极施加强度为20(T500V/cm的直流电场1?2h，而后投入浮 选机内进行浮选，浮选后滤除浮选液，用40°C -60°C的纯水冲洗直至完全去除浮选液。
7. 根据权利要求1所述的高纯石英砂制备方法，其特征在于：用40°C _60°C的纯水浸 没经浮选的石英料，并通入氯气进行氯化处理，氯化处理后滤除处理液，再用75% -99%的 酒精浸没，醇洗60-80分钟，滤除醇洗液，用纯水冲选直至完全去除醇洗液，再投入烤砂机 进行780°C _850°C的烘烤，烤完再用磁选机进行磁选，并筛分后得成品。
【文档编号】C01B33/12GK104340981SQ201310343561
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年8月9日 优先权日:2013年8月9日
【发明者】嵇奎军, 丁铸, 许伯林 申请人:新沂市中大石英科技有限公司