摘要
天然石英资源中普遍存在Al、Na、K等晶格杂质。晶格杂质难以通过常规选矿方法实现有效分离，是我国高纯石英制造业亟待解决的一个技术难题。 本文针对石英晶格杂质元素分离问题进行深入研究。重点研究了Al、Na、K等元素在天然石英中可否发生扩散和偏析，并从理论计算和试验研究两方面分析了Al、Na、K元素扩散偏析规律和机制，进而创建并优化了可以有效纯化石英中Al、Na、K等晶格杂质元素的偏析剥蚀工艺，制备出了低Al元素的高纯超高纯石英砂。研究内容和结论如下： （1）石英原矿性质研究 由电感耦合等离子光谱和质谱、光学显微镜、电子探针微区分析表明石英中主要杂质元素为Al、Fe、Ca、Na、K元素，以微细粒云母、长石、粘土矿物、氧化铁、金红石等脉石矿物形式赋存于石英表面和界面。Al、Na、K还可能以晶格杂质元素形式存在于石英晶格中。 （2）扩散前预处理 石英表面界面杂质会影响晶格杂质扩散偏析规律的研究，所以先通过化学浸出去除石英表面界面杂质。分别研究了浸出剂种类、浸出时间、浸出配合剂，石英粒度、石英溶解程度对浸出效果的影响。对比了氢氟酸和氢氧化钠的浸出效果、分析了影响氢氧化钠浸出效果的原因并优化了浸出工艺及其参数。经过盐酸和氢氟酸的混合酸浸出预处理后，石英样品Al、Na、K元素在石英内均匀分布，浓度剖面分布曲线近似为一条直线。在后续焙烧过程中，如果Al、Na、K元素浓度分布曲线发生改变，则可判断有扩散和偏析现象发生。 （3）晶格杂质元素扩散偏析的理论计算 运用Crank-Nicolson隐式有限差分方法和Python数据分析技术，构建了浓度梯度作用下扩散偏析理论计算方法与模型。深入研究和揭示了晶格杂质元素在自身浓度梯度、空位浓度梯度以及掺杂元素作用下的扩散偏析规律。为通过试验来分析天然石英晶格杂质元素扩散偏析规律提供了理论依据和方向。 （4）试验分析石英晶格杂质元素扩散偏析行为与规律 天然石英晶格取代Al元素扩散偏析研究中缺乏适宜的晶格元素浓度剖面分布表征分析手段，为量化描述偏析现象提供理论分析手段与依据，本文创建了一种晶格元素浓度剖面分布计算分析方法。 通过扩散偏析试验深入探讨了焙烧温度、焙烧时间、扩散元素表面积累量、焙烧添加剂对扩散偏析的影响，揭示了Al、Na、K元素扩散偏析行为与规律：晶格取代元素Al的扩散符合空位浓度梯度主导的扩散规律，而晶格填隙元素Na、K的扩散则主要受表面蒸发速度及效率影响，与理论计算结果相符。 试验分析与理论计算结果互恰，证明结论正确。 （5）构建偏析剥蚀法纯化新工艺 根据理论计算和试验分析得到的扩散偏析规律，创建了利用偏析剥蚀纯化晶格杂质元素，制备高纯石英新工艺。工艺使用盐酸浸出来清除石英表面界面杂质；使用氢氧化钠侵蚀和活化石英表面，增加焙烧中空位生成量；然后通过焙烧促使晶格杂质元素由内部向表面扩散并在表层偏析富集；再用氢氧化钠剥蚀石英表层，溶解去除富集在石英表层的杂质元素，达到纯化晶格杂质元素的目的。 偏析剥蚀法纯化新工艺可以高效去除石英晶格取代杂质元素Al，对晶格填隙杂质元素Na、K也有明显分离效果。经该工艺处理后石英中Al元素含量由62.79μg/g降低到7.8μg/g，杂质元素总含量由241.77μg/g降低到38.2μg/g，硅、氧总含量达到99.994%，达到了高纯石英标准。研究为丰富天然石英晶格杂质分离纯化理论与技术创新提供了新方法与借鉴。
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