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中國粉體網：大家好！我是中國粉體網的編輯記者安振華。“2019全國石英大會”在徐州隆重召開期間，我們邀請了來自科研院所、高等院校的多位專家學者走進我們的對話欄目，并就石英的深度提純技術、高純石英行業如何做強、粉體技術工藝的重要性以及產學研協作等一系列議題發表他們的看法和建議，同時也介紹他們近期的一些科研成果。現在接受我們文字采訪的是來自西南科技大學的孫紅娟教授。孫老師您好！
孫紅娟教授（以下簡稱“孫教授”）：你好。
孫紅娟教授出席2019全國石英大會
中國粉體網：高純石英原料有什么特點？有哪些關鍵的評價指標？通過您的研究，您認為哪種石英原料比較適合提純？
孫教授：首先，要科學地認識“高純石英原料”，這一概念是伴隨著高新產業經濟發展和技術進步而出現的。隨著航天、半導體集成電路、光纖通訊和太陽能光伏等產業的迅速發展，相關高新技術產品對石英砂的化學純度要求越來越高，逐漸出現專門用于制造這些產品的高純石英砂，生產高純石英砂的原料則主要來源于純凈的石英礦物資源。然而，傳統的玻璃用硅質原料、鑄造型砂用石英砂原料等雜質元素含量較高的石英礦物資源不具備生產高純石英砂的經濟和技術可行性，應將“高純石英原料”與“玻璃硅質原料”區別開來，高純石英原料更符合現代高新產業對原料極高化學純度的特征要求。
因此，“高純石英原料”要區別于以往用于低端產業的劣質石英資源，而是指那些能被現有成熟的礦物加工技術將其SiO2純度提純至99.9%及以上的天然石英礦物資源，提純后的高純石英砂滿足現代高新產業使用效能的嚴格要求。高純石英原料對地質成礦條件的要求十分嚴苛，依據統計石英原料的化學分級及其市場價格分析結果，滿足這一條件資源量的僅占石英資源總儲量的1%。所以，高純石英原料除了礦物加工目標瞄準為高新技術產品的應用特點外，本身也體現出儲量稀缺的資源屬性。
談到關鍵評價指標，有必要指出的是，以往判斷石英礦物資源是否具備高純石英潛力主要基于化學純度（SiO2和常見雜質元素含量）和氣液包裹體的含量。毋庸置疑，化學純度作為一個直觀的重要指標來評價石英原料的優劣，這樣的評價方法雖然可以簡單快速地判別熔煉水晶的品質，但在處理其他復雜的替代原料時，具有明顯的局限性，即缺乏對原料性質的全面了解，雜質元素的賦存狀態并不明晰，不利于指導石英資源的加工利用。
為了解決高純石英原料的選擇與評價問題，我們課題組前期進行了大量室內和野外工作，提出一套科學可行的評價方法，具體涉及到化學成分、嵌布粒度、脈石礦物、包裹體和晶格雜質5個關鍵評價指標，這些因素之間的關系常常交叉耦合，構成了高純石英原料的評價因子。依據我們實驗室的研究成果，我們認為，當石英原料在以上5個關鍵評價指標中有3個及以上指標達到a級時（表1），可以推薦為高純石英原料。
比較適合提純的石英原料：最好的是：一、二級天然水晶。從高純石英原料產出的地質條件來看，相較于外生礦床，最好產出于穩定地質條件的內生礦床，特別是巖漿高度結晶分異的花崗偉晶巖的石英脈中，這類高純石英原料一般具有脈石礦物少，嵌布粒度大，易解離，和低晶格雜質含量的優勢，這類花崗偉晶巖型石英原料是最有前景的水晶替代原料。
中國粉體網：各種石英原料的提純工藝有何不同？主要依據是什么？
孫教授：石英提純工藝流程是基于石英原料的工藝礦物學研究和可選性試驗結果而設計制定的。初級加工工藝取決于脈石礦物種類和嵌布粒度，比如礦石中含較多長石、云母，經破碎粉磨后充分解離后，采用反浮選或高梯度磁選等工藝去除脈石礦物；而深度提純工藝主要針對石英內部以類質同象形式存在的晶格雜質，必須采用氫氟酸進行酸洗，甚至氯化焙燒等才能去除。因此，具體的提純工藝應視石英原料品質而定。
需要注意的是，高純石英砂的生產是一個系統工程，它的成功絕不只是依賴于高純石英制備技術的改進而已，更重要的是高純石英原料產出地質條件的研究程度，還有開采程序、制備工藝以及檢測與質量控制等其他因素的影響。
目前，工業上成熟應用的石英提純傳統工藝有分選、擦洗、煅燒-水淬、磨礦、篩分、磁選、重選、浮選、酸浸、微生物浸出、高溫脫氣等，深度提純工藝有氯化焙燒、輻照色選、超導磁選、高溫真空等等。
（1）浮選是利用礦物表面性質差異，實現長石、云母等硅酸鹽礦物與石英分離的有效的物理選礦方法。
（2）酸浸工藝主要目的是在酸溶液中除去可溶的鐵質礦物，影響酸浸提純效果的因素有石英砂粒度、溫度、時間、酸種類、酸濃度、固液比等，提高溫度和酸液濃度、降低石英顆粒的半徑均可提高Al的浸出率和浸出速率。單種酸的提純效果有限，而混合酸具協同效應，可大幅提高Fe、K等雜質元素去除率。
常見的無機酸有HF、H2SO4、HCl、HNO3、H3PO4、HClO4等，一般是兩種或兩種以上按一定比例混合使用。
（3）微生物浸出是指利用微生物浸除石英砂顆粒表面的薄膜鐵或浸染鐵，這是新近發展起來的一種除鐵技術。
（4）磁選主要用于除去石英砂中的磁性礦物，如可以通過強磁選機除去赤鐵礦、褐鐵礦、黑云母等弱磁性礦物，而強磁性礦物如磁鐵礦則可以通過弱磁選機除去。
（5）擦洗脫泥提純，擦洗是指借助機械力和砂粒間的磨剝力來除去石英砂表面的薄膜鐵、粘結及泥性雜質礦物和進一步擦碎未成單體的礦物集合體，再經分級作業達到進一步提純石英砂的效果。目前主要有棒磨擦洗和機械擦洗。影響擦洗效果的主要因素為擦洗機的結構特點及配置形式；次要因素為擦洗時間、擦洗濃度（擦洗濃度一般以50%-60%為宜）。
（6）氯化焙燒又稱氯化脫氣，利用顆粒表面與內部在高濃度氯氣作用下產生的化學位梯度，促使氣液包裹體擴散出去。石英顆粒表層的堿金屬、堿土金屬和殘余的包裹體等雜質在高溫下與氯氣反應生成氣態氯化物，相較于其他金屬離子，Al和B的反應活性較低，高溫氣流將這些雜質元素的氯化物帶走，從而達到深度提純的目的。
氯化焙燒是一種深度提純工藝，成本較高，處理能力有限，具有一定危險性。當前，只有美國尤尼明公司實現該工藝的工業應用，安徽蚌埠玻璃工業設計研究院和東海太平洋公司進行了嘗試，實驗室試驗取得部分成功，但尚未見應用于大規模工業生產。該工藝對進料要求較高，一般是經過傳統工藝提純后，SiO2純度達到99.99%，雜質總量小于100×10-6的石英砂才能滿足進料要求，起氯化作用的氣體主要是Cl2，可單獨使用，也可與HCl混合煅燒，而高純N2和Ar的混入可降低廢氣處理壓力。氯化焙燒的裝置多為自行設計，還沒有統一的標準設備，仍處于不斷發展完善過程中。
（7）其他工藝
（a）高溫真空法。該工藝指溫度在1000℃以上，0.01Mpa的真空狀態下，氣液包裹體內外形成巨大的壓力差使其發生爆裂，同時，高溫真空狀態有利于脫去石英砂中的羥基。
（b）高溫摻雜提純法。采用雜質總含量為41.94×10-6的石英粉，先后摻入NaNO3、Al(NO3)3·9H2O，在900℃下煅燒，獲得石英精砂雜質總量小于25×10-6，達到IOTA-Std標準。在石英砂中添加NaCl進行高溫煅燒，用鹽酸和氫氟酸的混合酸進行酸浸，對鐵、鈦元素的去除效果良好。
（c）煅燒-酸淬法。采用“水洗→酸浸→焙燒→水淬→二次酸浸”的工藝，將石英進行高溫煅燒，待其晶相轉變為鱗石英后，立即置于混酸溶液中，雜質反應為水溶性的金屬鹽，水洗后得到石英精砂。
（d）微波爆裂法。是一種去除高純石英砂生產中氣液包裹體雜質的方法，由于石英介電常數低，幾乎不被加熱，而其中的氣液包裹體和雜質可在短時間升溫到1000℃以上，產生的熱應力足以將氣液包裹體或雜質界面拉裂形成裂紋，在外加載荷的作用下，實現破壞包裹體與剝離雜質的目的。
（e）超聲波分散提純法。由于超聲波對液體傳播介質產生空穴效應，巨大的壓力將對液體中固體顆粒進行猛烈沖擊，石英顆粒表面的雜質迅速脫落，達到提純的目的。
孫紅娟教授在2019全國石英大會上演講
中國粉體網：氯化物焙燒提純工藝的原理和優勢？以及影響提純效果的因素有哪些？
孫教授：在談這個話題前，我要強調如果高純石英原料品質不佳，即便窮極當前先進礦物加工技術，也難以在可接受的經濟和環保成本下獲得理想的高純石英砂產品。當前研究和生產的難點是去除石英晶格內以類質同象形式均勻分散的雜質元素，這一項目是限制高純石英原料可加工潛力的關鍵指標。盡量優先選擇低晶格雜質和包裹體含量的高純石英原料進行加工。
氯化焙燒又稱氯化脫氣，利用顆粒表面與內部在高濃度氯化劑作用下產生的化學位梯度，促使氣液包裹體擴散出去。氯化焙燒優勢在于可以去除部分石英晶格雜質，氯化劑的選擇最為關鍵，一般采用高純氯氣或氯化氫進行焙燒，焙燒溫度和時長對提純效果也有影響。
中國粉體網：硅石尾礦（渣）的綜合利用非常有意義，國內目前硅石尾礦綜合利用的現狀怎樣？另外，尾渣加工所需要的成本的大概情況？
孫教授：硅石尾礦的年排放量上千萬噸，資源化利用是保持綠水青山的必然之路。硅石尾礦的綜合利用途徑因地制宜，低品質尾礦可直接用作建筑石料和建材制品，雜質含量不高的石英尾礦尾砂也可用作玻璃、陶瓷、型砂或耐火材料用石英原料，雜質含量高的可用作色石渣原料和建筑用集料，顆粒較粗的石英尾礦可通過色選進行提純和分級利用，顆粒細的可用于化工生產提取SiO2組分或用于水泥生產原料。一般說來。通過對硅石尾礦的綜合利用評價，可望實現其整體和全組分利用。具體的尾渣的加工成本可隨產品的加工類型和市場變化而發生波動，一般從10多元至數百元不等，但產品的附加值也可達到數十至數百元。
中國粉體網：硅質材料的發展趨勢？整個石英產業鏈要向更高層次、更高質量方向上發展，您認為，最缺乏的是什么？
孫教授：硅質材料的加工生產涉及到多個的工業體系，其發展趨勢與我們國家整體的經濟發展水平的緊密相關，改革開放40年來，硅質材料的加工也經歷了從中國制造到中國智造的跨越。從早期依托原料優勢，直接出售礦產品和低水平代加工，變革至以科技創新為動力，瞄準高端設備制造的石英材料深加工產業鏈。
不過，我們也應該看到，整個產業鏈最關鍵的原料受到“卡脖子”威脅，下游高端產品生產技術自主化率不足，要向更高層次和更高質量上發展，還面臨的諸多艱巨的挑戰。對于關鍵原料自主化，最缺乏的是系統的礦物加工工程思想。
高純石英砂作為現代國防、信息和能源等高新產業必須的關鍵戰略礦物資源，目前嚴重依賴進口美國尤尼明公司產品的局面亟待改變，優質高純石英砂的生產必須要實現獨立自主。根據對尤尼明公司高純石英砂生產體系和我國當前高純石英工業現狀的分析，高純石英原料的穩定供應的關鍵是尋求優質高純石英礦產資源，且進行系統地勘查評價和科學梯度開發。高純石英礦產資源必須在充分勘查和咨詢后，由政府部門進行規劃和合理配分，選擇有實力的企業進行科學開發，這一系統工程要有專業地質單位、科研部門、選礦企業和質量監督等多方合作推進。當務之急是依據相關高純石英原料的研究成果，盡快制定適用于指導地質單位進行高純石英礦產資源勘查工作的《高純石英原料地質勘查規范》。
為國家緊缺戰略礦物資源提供智慧支持，這是我們礦業工作者的共同的時代使命和事業擔當，期待共同改變高純石英生產加工現狀，早日實現關鍵生產原料的充分自給。
附：孫紅娟教授簡介
孫紅娟，博士，教授、博導，中國地質學會礦物學專業委員會委員，中國礦物復合材料專業委員會委員，中國硅酸鹽學會非金屬礦分會理事，中國礦物巖石地球化學學會礦物材料專業委員會委員，四川省納米協會副理事長。四川省非金屬礦粉體改性與高質化利用技術工程實驗室主任。從事固體廢物資源化、礦物晶體化學、礦物材料學理論及應用研究。先后主持或主研國家自然科學基金5項、國家重點專項2項、省部級項目6項，國家及部級重點實驗室開放基金3項；企業合作項目25項。獲四川省科技進步三等獎2項（排名第1和2）；授權發明專利14項；在國內外學術刊物發表論文200余篇， SCI、EI檢索70余篇；出版專著1部。
