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凝聚共识,创新精制工艺,高纯石英砂国产化未来可期——访湖南工业大学侯清麟教授

时间:2022-07-12 16:23:00浏览次数:1462

高纯石英砂凭借优异性能在半导体、光伏、光纤通信、航空航天等领域发挥着越来越重要的作用,是业内关注的焦点。对此,我们邀请到来自湖南工业大学的侯清麟教授做客“对话”栏目,围绕高纯石英砂的制备难点、创新点等进行探讨交流。

 

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湖南工业大学侯清麟教授


国产石英硅矿生产高纯石英砂为什么难?


高纯石英砂是一种国家战略性产品,在国民经济中占有十分重要的地位。目前业内对于高纯石英砂的界定存在分歧,没有统一标准。侯教授认为制备高档石英玻璃材料的原料,SiO2纯度应该不低于99.995%,金属杂质总量<50mg/kg,气液包裹体稀少。


我国自有高档石英玻璃材料以来,一直采用纯天然水晶精制的水晶砂原料制备。至上世纪七八十年代水晶资源逐渐枯竭,人们不得不用石英硅矿精制出高纯石英砂替代水晶砂。然而石英硅矿中铝、铁、钙、钛等金属和云母长石及气液包裹体杂质含量高,外观浑浊,呈乳白色,精制出来的高纯石英材料与工业水晶砂产品相比差距较大,严重制约高档石英玻璃材料用途和下游行业的发展。


据侯教授介绍,经全分析,石英砂中的杂质离子超过50多种,其中影响高档石英玻璃的杂质元素主要有铝(Al)、钠(Na)、镁(Mg)、钙(Ca)等13种。而目前国产石英硅矿之所以难以制备出高纯石英砂,主要在于铝、钙,以及少量的钛。


对于Al杂质元素,一方面,它以晶格杂质形式存在,去除难度极大。另一方面,Al杂质有一定的要求,含量不能高但也不能没有。如若生产坩埚一般要求在20-25mg/kg。此外,国内石英硅矿中钙、镁杂质含量高,难以剔除。这些都是国内石英硅矿难以制备高纯石英砂的原因所在。


高纯石英砂精制工艺如何创新?


国内现工艺制备的高纯石英砂,不仅金属、尤其是气液包裹体杂质比号称“世界第一”的矽比科(原尤尼明)公司的高,而且所用的除杂介质HF、“王水”中的HNO3等残液极难处理污染环境。

对于高纯石英砂的制备,侯教授认为可以从工艺流程理念、工艺流程、剔杂介质三个方面加强创新研究。


工艺创新思想研究

针对传统高纯石英砂精制工艺中的流程长和除杂介质残液污染环境等问题,侯教授认为在符合产品生产技术要求前题下,可以从缩短简化工艺流程、减少设备台套数、工艺剔杂介质创新等方面作出改变,以实现节能减排,降低消耗,改善生产条件,保护人文生态环境的目的。


工艺流程创新研究

目前石英砂除杂的方法主要分为物理方法、化学方法。物理方法有磁选、反向浮选及煅烧水淬处理。化学方法包括无机酸浸及有机酸浸。常用的无机酸通常是HF、HNO3、HCl和H2SO4。目前通常通过物理方法与化学方法相结合能实现更好的除杂效果。


传统精制工艺


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创新精制工艺


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除了除杂方法创新、流程缩短,工艺流程创新的另一个关键点是剔杂介质的创新。侯教授在国产石英硅矿无氟无硝制备高纯石英砂工艺方面也是做了大量研究。以安哥拉矿石为参照,优选出与之相似组分的国产硅矿石,通过高温水淬、研磨、在对H2O、CH4、C2H6与Na+、K+、Cu2+水合物进行原位比较监测基础上,采用高频电磁波作用后,改草酸(C2H2O4、乙酸(CH3COOH)、H2SO4浸泡精制剔除Al、Fe、Ti等金属杂质后过筛、干燥后制备超纯石英砂。


高纯石英砂国产化,未来可期


从2008年至今,侯教授对高纯石英砂的研究从未停止。他从多晶硅副产的四氯化硅残液中提取食品级沉淀白炭黑开始,然后进行石英硅矿的优选,再到开展国产石英硅矿精制高纯石英砂工程研究,最终解决了高纯石英砂中的气液包裹体问题,此后,随着研究的深入,他又进行石英硅矿精制高纯石英砂的除杂介质如无氟无硝法研究、简化工艺流程等研究工作,到如今又对石英硅矿精制高纯石英砂的晶型问题的研究,侯教授对高纯石英砂的研究从未停止。


在问及对于国内高纯石英砂行业发展的一些建议时,侯教授表示行业应引起高度重视。高纯石英砂资源不可再生,数量有限。石英砂制备企业应合理有效利用资源,不能金子变砖头,浪费有限的高纯石英砂资源。此外,对于石英硅矿的开采审批、项目建设等从严把关,有组织有计划的开采使用;再者,人文、安全、环保第一。


受制于高品质矿源,国内高纯石英砂市场在下游产业带动下,处于供不应求的状况,市场长期被国外垄断着。作为粉体产业的连接者,中国粉体网同样期望高纯石英砂产业链上中下游企业,统一认识,高度关注,积极投入研究和应用工程化。凝聚共识,创新精制工艺,我们的高纯石英砂国产化,未来可期。



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来源:粉体网



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