高純石英用硅質原料地質勘查中的基本概念和關鍵技術及江西資源前景

唐春花, 樓法生, 潘家永, 袁 晶,3, 張瑞洋,4, 唐 梟

(1.江西省地質調查勘查院,江西 南昌 330030;2.東華理工大學 核資源與環境國家重點實驗室,江西 南昌 330013;3.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院,北京 100083;4.北京科技大學 土木與資源工程學院,北京 100083)

高純石英是高端技術領域的關鍵基礎礦物原材料,獨特的物理、化學特性,尤其是內在分子鏈結構、晶體形狀和晶格變化規律,使其具有耐高溫、熱膨脹系數小、高度絕緣、耐腐蝕等優點以及良好的壓電效應、諧振效應和獨特的光學特性,在許多高科技產品中發揮著越來越重要的作用。SiO2含量高于99.99%的高純石英是石英玻璃和石英坩堝的主要原料,其高端產品被廣泛應用在大規模及超大規模集成電路、光纖、太陽能電池、激光、航天、軍事等行業中,是信息、新能源等高科技技術產業的基石,是面向未來的戰略性資源。

高品質礦物原料和針對性提純技術是我國高純石英產業可持續發展的兩大瓶頸(張佩聰等,2012),不同成因石英礦物具有差異性物理化學特征,對選礦提純效果具有約束作用(汪靈等,2014),直接影響高端產品的應用。目前,全球規模開發利用的礦床只有美國Spruce Pine白崗巖礦床(張曄等,2010;張佩聰等,2012),其產品壟斷著國際高純石英高端市場。

世界半導體貿易統計(協會)、中國建筑材料科學研究總院、建筑材料工業技術情報研究所數據表明,2010年以來我國對高純石英產品的需求持續增長,高端產品(SiO2含量高于99.998%)高度依賴進口,2019年占全球進口量的70%,但隨著中美貿易摩擦加劇,2020年以來我國進口量急劇下滑,已嚴重影響我國高純石英產業的可持續發展,迫切需要解決資源困局,實現優質資源的找礦突破。

江西省地質調查勘查院在江西寧都地區調查發現了白云母偉晶花崗巖型高純石英用硅質原料礦床(唐春花等,2023),石英SiO2純度可達99.991%以上,預測資源規模為大型。在宜黃發現花崗偉晶巖型高純石英用硅質原料礦床,石英SiO2純度可達99.98%,預測資源規模為中型,實現了江西高純石英用硅質原料找礦初步突破。

但在高純石英礦物原料找礦勘查工作中遇到許多問題,一些基礎性的問題或矛盾需要厘清或界定,一些關鍵性的技術需要把握,而現行的勘查規范無法解決,因此筆者將一些基礎性的問題梳理出來,并根據近年的工作實踐嘗試提出解決方案,以供地質勘查工作參考。

1 基本概念問題

高純石英不屬于礦種,它是礦物加工產品(汪靈,2022)。國內對高純石英的研究主要集中于礦物加工領域,以加工提純工藝技術的進步提高高純石英砂產品的質量。對高純石英的定義與品級劃分等基本概念,也都來自礦物加工領域的研究人員(張佩聰等,2012;汪靈,2022),這些概念是基于礦物加工產品質量提出的,不能代表嚴格意義上的原礦質量指標。高純石英原料的找礦勘查工作近五年才得到重視,2021年以來陸續報道了較多的找礦成果,高純石英由延伸產業回溯到資源勘查,不可避免地存在一些基礎性的概念認識模糊或矛盾的問題,這些問題不厘清,不利于找礦勘查規范化工作。

1.1 高純石英

“高純石英”是由工業應用中的“高純石英砂”引進而來?！陡呒?SiO2≥99.997%)石英砂》(湖南省質量技術監督局,2016)定義高純石英砂是以天然石英礦物為原料,經酸浸、煅燒、水淬、烘干、粉碎、篩分、提純、色選、磁選等工序加工而成的,具有一定外觀、粒度、純度、雜質元素含量的石英砂。汪靈(2022)將高純石英定義為:SiO2純度大于99.9%的石英砂系列產品的總稱,其本質是以天然石英礦為原料經提純加工獲得的具有極高SiO2純度且由一定粒度組成的石英晶體原材料,其概念應同時具備純度、粒度和礦物相三個特征。高純石英不是礦種,而是礦物加工產品。在資源勘查中對“高純石英”的使用比較模糊,大多數情況下被直接當做礦種使用,如“高純石英礦”“高純石英礦床”等(趙海波等,2023;張海啟等,2022a)。從礦產資源角度,高純石英砂屬于選礦加工產品,可以稱為硅精礦或高純石英精礦。選礦加工的精礦一般都是砂狀礦,“精礦”一般用于金屬礦,非金屬礦通常直接使用礦種名稱。因此,工業上的“高純石英砂”引用到礦產資源領域可以使用“高純石英”作為定義詞,但不能稱為“高純石英礦”,而應稱為“高純石英用硅質原料”。

1.2 高純石英用硅質原料

硅質原料是以石英為主要礦物組成的礦石,可供工業利用的塊狀二氧化硅原料的總稱,硅質原料屬于礦產資源,主要指石英巖、石英砂巖、石英砂、粉石英、脈石英、水晶等。國內外最早是以水晶為原料生產高純石英砂,巴西擁有超大型水晶礦床(張佩聰等,2012),是以水晶制備高純石英的主要國家,我國水晶產地主要在江蘇東海等地,均為小型礦山,是國內高純石英生產相對集中的地區。隨著水晶資源的日漸枯竭,脈石英、石英巖成為生產高純石英砂的主要硅質原料,德國、俄羅斯為主要生產國(張佩聰等,2012),我國以脈石英為主,同時開展了石英巖、石英砂等硅質原料的高純石英應用研究(蔣學鑫等,2004,2006;張凌燕等,2012;吳逍等,2015,2017;周鵬等,2018;謝澤豐等,2022;田沖等,2022)。隨著“高純石英”原料的實踐應用,作為天然石英礦物的硅質原料種類不再限于以石英為主要礦物組成的原料,石英礦物占25%左右的花崗巖成為重要的高純石英用硅質原料(張曄等,2010;張佩聰等,2012),美國Spruce Pine白崗巖中石英礦物的高純石英研究利用,改變了世界高純石英用硅質原料的資源格局。水晶、脈石英、石英巖、石英砂(巖)、花崗巖石英等硅質原料也可作為生產高純石英的資源,這些可用于生產高純石英的硅質原料稱為高純石英用硅質原料。

高純石英用硅質原料屬于稀缺資源,在天然石英礦物原料中占比極少(汪靈等,2014),這類硅質原料中石英晶格極少發生類質同象替代(張佩聰等,2012),氣體流體包裹體含量極低,成礦地質作用特殊(楊軍,2004;張曄等,2010;趙金洲等,2022;張海啟等,2022b),可以稱為高純石英用硅質原料,但用具體的指標來衡量高純石英用硅質原料的品質,目前還沒有較深入的研究報道。張佩聰等(2012)認為高純石英晶格中Al替代Si的類質同象作用有限,是Al占位Si,晶格雜質含量≤30×10-6的天然石英礦物。趙毅等(2022)研究了一種石英流體包裹體指數方法來定量描述高純石英中的流體包裹體,可用于原礦和產品,并指出東秦嶺偉晶巖石英93.09是一個有利的流體包裹體指數。

目前,已經用于高純石英加工的硅質原料包括水晶、脈石英、白崗巖、偉晶巖、海砂、石英巖等(張佩聰等,2012;張曄等,2010;郭文達等,2019;馬超等,2019;汪靈,2019),其中白崗巖在高純石英高端產品中占有舉足輕重的地位。鑒于Spruce Pine白崗巖型高純石英用硅質原料礦床的成功經驗,國內專家也將找礦重點放在了同類型礦床上,并已經取得了初步找礦成果。需要指出的是,對于白崗巖、偉晶巖型原料而言,高純石英用硅質原料是指其中的石英礦物。

1.3 純度

純度有兩方面的含義,一是高純石英的純度,二是高純石英用硅質原料的純度,前者指產品,后者指原料。

石英的純度一般用SiO2百分比含量來表達,不同的工業應用對石英中的雜質元素種類和含量、粒度等有不同的要求,高純石英高端產品還對氣液包裹體提出了要求(楊軍,2004)。普通石英與高純石英的界定,目前在工業應用中還沒有統一的標準,湖南地方標準《高純(SiO2≥99.997%)石英砂》(湖南省質量技術監督局,2016)規定SiO2含量≥99.997%為高純石英,《光伏用高純石英砂標準》(中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等,2016b)規定SiO2含量≥99.99%為高純石英,《光伏單晶硅生長用石英坩堝》(中國電子材料行業協會,2018)要求石英砂SiO2純度≥99.998%。汪靈等(2014)以SiO2含量≥99.9%作為高純石英的下限,并劃分為低端SiO2含量≥99.9%、中端SiO2含量≥99.99%、高端SiO2含量≥99.998%,同時對雜質元素和粒度提出了要求,2022年改進為四分方案:低端SiO2含量≥99.9%、中端SiO2含量≥99.99%、中高端SiO2含量≥99.995%、高端SiO2含量≥99.998%,該方案針對高純石英砂產品而定,相對合理,業界接受度較高。

而作為礦產資源,硅質原料是否能作為生產高純石英砂的原料,目前還沒有合理方案,也沒有可循的規范標準,而是采用選礦加工獲得的高純石英精礦(砂)純度來說明高純石英用硅質原料的品質,如《礦產地質勘查規范硅質原料類》(中華人民共和國自然資源部,2020)。張佩聰等(2012)以天然石英中晶格Al含量為30×10-6作為高純上限,并將高純石英用硅質原料劃分為Al30、Al20、Al10等3個品級,但無論對于原礦還是產品,該標準評價指標都偏高,同時因實際測試中晶格鋁雜質的分辨難度和測試技術難度而未得到推廣應用。從原料研究推導結果的技術方法還在試驗研究階段。

根據行業標準《礦產地質勘查規范硅質原料類》(中華人民共和國自然資源部,2020)技術要求,石英玻璃用硅質原料為SiO2含量≥99.95%,是目前對硅質原料礦石的最高要求。但能否進一步提純達到高純石英產品工業應用要求,不能僅靠SiO2指標要求,石英中雜質元素是否可以被剔除才是關鍵(楊軍,2004)。因此,關于高純石英硅質原料純度的描述應包括SiO2百分含量和影響提純的關鍵雜質元素含量。

1.4 關鍵雜質元素

石英中的雜質元素是由包裹在石英礦物顆粒中的固、液、氣相包裹體和硅氧四面體晶格類質同象替代元素造成的(張佩聰等,2012;汪靈等,2014)。根據《光伏單晶硅生長用石英坩堝》(中國電子材料行業協會,2018)和《光伏用高純石英砂標準》(中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等,2016b)要求,工業高端應用中主要將Al、Ca、Mg、Ba、Cr、Cu、Fe、Ni、Mn、Li、Na、K、Zr、Ti、Ge、P、B等17種元素作為雜質,提出了限量要求,在雜質元素總量中Al含量占60%～80%、(Ti+Li)含量占10%～14%,(Ca+Na+K)含量占10.5%～12.0%,這些是主要的雜質元素。而流體包裹體可能并不是一個需要特別關注的問題,石英管的生產中羥基含量可以降低到1×10-6(劉明偉等,2010)。

宜黃花崗偉晶巖高純石英礦物顆粒內的主要雜質元素為Al、Ti、Ca、P、Li、Na,其中僅Li與Al呈線性正相關。由于Al、Ti與Si離子半徑相近,在自然界中石英存在廣泛的Al3+、Ti4+置換Si4+,而Li+以補償電荷占位,所以Li與Al呈正相關性,可判斷二者晶格雜質電荷為互補關系。因此,Al、Li、Ti是宜黃花崗偉晶巖高純石英中的主要晶格雜質元素。除晶格雜質外,Al在石英中通常還以長石、云母類礦物包裹體形式存在,Ca、Na、K參與其中,P作為主要雜質元素以細小磷灰石礦物包裹體存在于石英中,Ti可能還以金紅石礦物形式存在,針狀、發絲狀的礦物包裹體很難去除,只能在原料選別階段避開。氣體流體包裹體和微小的礦物包裹體可通過原料選別和提純工藝去除,晶格雜質在不破壞晶格的情況下是不可能去除的(郭文達等,2019;馬超等,2019)。因此,Al、Li、Ti元素的含量是決定石英提純性能的關鍵因素(唐春花等,2023),也是花崗偉晶巖高純石英用硅質原料評價中的關鍵雜質元素,通過關鍵雜質元素的評價可以推導出原料理論上可達到的純度。

因此,建議將Al、(Li+Ti)元素含量作為高純石英用硅質原料評價中的關鍵雜質元素指標。

1.5 高純石英用硅質原料評價指標

資源評價是礦產地質勘查的重要內容,《礦產地質勘查規范硅質原料類》(中華人民共和國自然資源部,2020)所指硅質原料包括石英巖、石英砂巖、石英砂、脈石英和粉石英,不包括花崗巖型高純石英用硅質原料?；诟呒兪⒌奶厥庑?高端應用中對純度的要求越來越高,有必要對硅質原料進行品級劃分。

高純石英用硅質原料評價指標研究應重點考慮SiO2和主要雜質元素對石英純度的影響,尤其是關鍵雜質元素的影響。因此,提出以SiO2、Al、(Ti+Li)的含量作為高純石英用硅質原料評價指標體系的方案是可行的。

石英巖、脈石英、粉石英等硅質原料礦石SiO2含量通常為90%～98%,而酸性花崗巖SiO2含量僅為70%,未經加工的硅質原料難以達到高純石英的要求,因此針對高純石英用硅質原料的評價采用礦石并不合適,而應采用其中的石英單礦物。據高純石英產品劃分方案(汪靈等,2014),結合原礦特點,根據工業應用要求和原料適用面應更為廣泛的原則,筆者提出SiO2含量≥99.9%,Al含量≤700×10-6,(Li+Ti)含量≤200×10-6作為界定原料高純度的起點。而進一步的高純等級劃分不僅要考慮SiO2和關鍵雜質元素含量,還要考慮氣液包裹體的相關要求,這是一個更為復雜的問題,需要大量的選礦提純實驗數據支撐?，F行工業應用中對高純石英產品質量指標均沒有對氣液包裹體提出明確要求。汪靈(2022)研究認為雜質元素含量指標中實際上已包含了對氣液包裹體的要求。為便于對原料進行相對級別的劃分,將SiO2含量≥99.995%,Al含量≤35×10-6,(Li+Ti)含量≤10×10-6劃分為超純級別。SiO2含量≥99.9%,Al含量≤700×10-6,(Li+Ti)含量≤200×10-6為高純級別。

高純石英用硅質原料品級的劃分可以相應對標一定品級的高純石英產品,有利于提供穩定級別的原料和優質資源的利用。優質原料是高純石英產業發展的基礎,對產業高質量發展具有重要意義。

2 關鍵技術

成礦區域地質背景、礦床地質特征、樣品采集與測試、礦石選冶加工實驗等是固體礦產勘查工作中的基本內容(中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等,2016a)。但在近幾年的高純石英用硅質原料的找礦實踐中,沒有可供借鑒的典型礦床成礦模式,花崗巖型硅質原料沒有可循的勘查技術規范,實驗檢測和選礦提純中還存在沒有攻克的技術難題,這些問題不解決,無法認定可靠的資源儲量,高純石英用硅質原料勘查工作成果也就得不到認可。研究認為高純石英用硅質原料研究主要涉及三方面的關鍵技術亟須攻克:一是礦床成因研究;二是實驗檢測技術;三是選礦提純技術。這三方面的關鍵技術不僅制約著找礦勘查工作,而且也是整個高純石英產業中的關鍵問題。

2.1 礦床成因研究

石英在自然界中廣泛存在,礦床成因類型繁多,但不是所有的石英都能夠通過選礦提純工藝加工成為工業應用的高純石英砂,只有一些特殊成因的礦床可以作為高純石英用硅質原料,而高端原料可能只占這類成因礦床中的幾十分之一,可謂資源稀缺(汪靈等,2014)。

影響石英提純的關鍵是石英礦物中所含的雜質元素及其賦存狀態,不同成因石英具有顯著不同的雜質特征和物化性能。汪靈(2022)研究認為只有水晶、脈石英、花崗偉晶巖石英能夠用作高純石英原料。石英巖是潛在的高純石英用硅質原料(吳逍等,2017)。

目前高純石英用硅質原料工業類型有水晶、脈石英、白崗巖、偉晶巖、海砂、石英巖等。水晶規模小、產狀變化大,觀賞性價值更大,已退出高純石英用硅質原料市場;脈石英目前是國內最主要的高純石英用硅質原料,但它同樣也具有規模小、產狀變化大、品質不穩定的缺點,尤其是巖漿熱液成因氣液包裹體含量非常高(汪靈等,2014),主要用于生產低端-中端高純石英砂;石英巖、海砂有規模優勢,品質也相對穩定,但沉積成因特點意味著雜質元素的復雜性,只能作為中端產品的主要原料,一些特殊成因改造后的石英巖也可以達到高端產品要求,這種石英巖經重結晶作用,粒度加大,石英內部Al-O濃度急劇降低,同時相對較低的成巖溫度Ti不易進入晶格(邵潔漣,1986),是潛在的高純石英用硅質原料;白崗巖、偉晶巖是高端產品的主要原料(張曄等,2010;張佩聰等,2012),如美國的Spruce Pine白崗巖為超大型礦床,是目前開發最成功的礦床,在高端產品領域占壟斷地位。而國內還沒有發現真正意義上的白崗巖型高純石英用硅質原料礦床,目前國內資源勘查以偉晶巖(花崗偉晶巖)、偉晶花崗巖為突破口,已經在阿勒泰、東秦嶺、西武夷成礦帶取得了初步找礦成果(張曄等,2010;趙金洲等,2022;張海啟等,2022a,2022b;唐春花等,2023;趙海波等,2023)。Spruce Pine白崗巖和寧都白云母偉晶花崗巖高純石英用硅質原料典型礦床(張曄等,2010;唐春花等,2023)可作為典型礦床研究及參考。

要獲得特定高純石英砂產品和穩定的生產指標,需要掌握礦床巖石地球化學的基本差異,以及原礦品質對提純過程和產品應用的限制,原礦決定產品質量,而礦床成因是關鍵的基礎研究工作,只有建立在礦床成因研究基礎之上的工藝礦物學和選礦提純研究才有意義。建議高純石英用硅質原料應以白崗巖型、白云母偉晶花崗巖型和變質石英巖型為主攻方向。

2.2 實驗檢測技術

礦床成因研究、高純石英用硅質原料品級劃分和高純石英砂產品質量情況需要實驗分析測試技術支撐。

脈石礦物的嵌布特征和石英礦物中所含的雜質特征,包括種類、數量、大小、分布、賦存狀態等是影響石英提純的關鍵,開展相關研究的實驗分析方法很多。王云月等(2021)總結綜述了高純石英原料雜質元素和賦存狀態的分析方法,主要利用偏光顯微鏡、冷熱臺、X射線衍射光譜儀、傅里葉變換紅外光譜儀、激光拉曼光譜儀、掃描電鏡、電子探針(EPMA)、激光剝蝕電感耦合等離子質譜儀(LA-ICP-MS)、能譜儀(EDS)等設備開展相關研究。

研究發現,一些常規實驗檢測技術和專項技術可以滿足原料及其產品定性、定量檢測的一般要求。

原礦主量和微量元素分析:采用X射線熒光光譜法(XRF)對原礦的主量元素含量檢測,但對于高二氧化硅含量的原礦需采用化學分析法(比重法)。采用電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-OES)對原礦微量元素含量檢測。該項分析需對原料樣品進行前處理,如連生礦物清除和表面粘連清洗等,主要是避免環境對樣品的污染。

包裹體分析:電子顯微鏡可用于觀察石英粒間與粒內顯微特征,定性、半定量描述共伴生礦物特征和粒內固、液、氣相包裹體特征,可較大程度定性判斷原料的優劣和砂樣品質。電子顯微鏡在原料的初步判別階段發揮著重要的作用,可排除80%以上的不利樣品。電子探針(EPMA)用于石英粒內微小礦物包裹體雜質元素種類和含量的研究(吳逍等,2015;張迪等,2019)。激光拉曼光譜儀主要用于石英粒內氣液包裹體定性分析,研究陽離子金屬雜質元素種類、氣體包裹體成分(陶恭益,1996)。離子色譜儀則用于石英粒內氣液包裹體分析,研究陰離子、陽離子種類和含量。

晶格雜質分析:傅里葉變換紅外光譜儀可用于石英發生類質同象替換程度的研究,也能確定石英中水的定量分布和形態(侯清麟等,2017)。LA-ICP-MS面掃描圖像可以判斷石英雜質元素賦存狀態,區分晶格雜質與包裹體雜質類型(藍廷廣等,2017)。陰極發光(CL)可以靈敏地反映晶體種類、晶格缺陷、有序度、微觀結構、雜質元素、晶體生長的物化條件,以及各種相關的外界影響因素等多方面信息。激光剝蝕電感耦合等離子質譜儀(LA-ICP-MS)可用于石英礦物微區雜質元素含量的檢測(Flem et al.,2002; Müller et al., 2003)。

礦物解離分析:礦物解離分析(MLA)可以完成石英及其共伴生礦物物質組成、成分定量、嵌布特征、粒級分布、礦物解離度等分析,包含礦物顆粒的尺寸、礦物組成、元素組成等,用于判斷石英可提純性能,對于查明石英中的雜質具有重要作用。該方法可用于選礦提純各關鍵階段工藝礦物學研究。

產品質量分析:采用四氟化硅揮發重量法對產品二氧化硅含量進行檢測。采用電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-OES)對產品微量雜質元素含量進行檢測(汪靈等,2013),也可對高二氧化硅含量的原礦、中間產品和最終產品進行檢測。由于ICP-OES對金屬元素具有良好的檢出限,技術成熟,并具有檢測時間短、靈敏度高、精確度高、自動化等特點,是高純物料微量化學成分檢測的常用方法(陳新坤,1987;金秉慧,2002),也是目前國內高純石英雜質含量測定基本方法?！陡呒兪⒅须s質含量的測定方法——電感耦合等離子體原子發射光譜法》(中華人民共和國工業和信息化部,2010)適用3N～5N高純石英原料和制品的17項雜質元素測定。江蘇太平洋石英股份有限公司采用ICP-OES測定高純石英粉中金屬雜質,認為其具有良好的精密度和回收率,可以滿足高純石英中金屬雜質元素的測定(武衛民,2011)。但對于SiO2含量≥99.998%的高純石英高端產品質量檢測,電感耦合等離子體發射光譜法(ICP-OES)測試精度還達不到要求。

我國在低雜質元素檢測技術上與國際先進技術還存在明顯差距,這是制約原料和產品研究的一個較大因素。

2.3 選礦提純技術

傳統的物理選礦和化學方法制備低端高純石英砂(SiO2含量≥99.9%)技術成熟,而制備中-高端高純石英砂(SiO2含量≥99.99%)技術尚不成熟,特別是對Fe、Al等雜質去除效果不理想(金達表等,2004),特定成因的礦床與針對性的選礦提純技術是我國高純石英技術瓶頸突破的關鍵。石英提純并非是硅質原料通過提純工藝技術的提升、逐級從低到高的過程,原礦品質對提純結果具有極大的制約,一般的硅質原料無法通過提純工藝的提升生產高純石英高端產品,只有少部分特定成因的硅質原料可用于高端產品的生產,原礦品質決定了產品品質,這也是制約我國高純石英提純技術的關鍵。缺乏優質的硅質原料,同時缺乏對特定成因硅質原料的專屬性研究,加工技術往往都采用通用技術,不能提供針對性解決方案。因此需以原料精細勘查、原礦品級精細劃分為基礎,制定選礦提純精細方案。

高純石英用硅質原料生產高純石英砂的選礦提純技術可以分為物理提純和化學提純兩個階段(金達表等,2004)。物理提純是將石英與共伴生礦物以及石英表面附著膜、泥樣礦物分離,解決石英礦物外部雜質問題,屬于初步提純,是化學提純的基礎;化學提純是去除石英內部的微小礦物包裹體、氣液包裹體和晶格雜質,解決石英礦物內部雜質問題,屬于深度提純。

物理提純技術主要包括水洗-分級脫泥、擦洗-分級脫泥、重選、磁選、浮選、煅燒-水淬、色選等。物理提純是基礎提純,只有石英與共伴生礦物、表面吸附物完全解離分離,才能保障化學提純效果。理論上物理提純技術可以做到完全分離,但受一些客觀因素的影響,實際效果并不理想。

化學提純技術主要包括酸浸、氯化焙燒、高溫爆裂、微波輻射、微生物等方法。高溫爆裂和物理提純中的煅燒-水淬是為了使石英晶體表面和內部產生裂紋,讓包裹體與外部建立通道,以利于酸浸清洗包裹體內部雜質。高溫爆裂和酸浸是化學提純中的基礎常用技術(吳逍等,2015,2017),但高溫爆裂形成的微裂紋,人為增加了石英砂中氣體、羥基的含量,從而影響高端應用。氯化焙燒是去除石英晶格雜質十分有效的手段,屬于深度提純中的關鍵技術,目前還沒有標準設備,一些企業、實驗室自行設計制造。微波輻射是將微波煅燒與氯化煅燒相結合,用以去除石英中的包裹體及晶格雜質(宋望峰,2022)。微生物方法是針對石英表面雜質分離而開展的研究。這些方法均表現出良好的技術前景。

在提純實驗中,由于物理提純中礦物解離不理想,需要采用石英單礦物挑選的方法,避免化學提純中脈石礦物的混入,保障化學提純的效果,而人工單礦物挑選無法保障產率,在生產工藝中也無法實施。色選是替代人工挑選的有效方法,但目前還存在較大的技術問題?；瘜W提純中最關鍵的問題是如何去除石英晶格雜質,氯化焙燒可以部分去除晶格雜質,但該工藝對環境造成的污染是無法回避的。因此晶格雜質極低的硅質原料和無污染工藝是解決該問題的根本。

另外,高純石英生產過程中對加工設備和環境要求很高,尤其是高端產品。封裝、存儲、運輸等都可能對高純石英品質產生影響。

3 江西資源前景

江西地跨揚子和華夏兩個古板塊(劉勇等,2023),地質歷史演化時間長(周賢旭等,2023),巖漿活動頻繁(余泉等,2023),變質作用富有特色,形成了多種成因類型硅質原料,具有天然石英礦產資源優勢。目前已探明硅質原料礦產地244處,礦石資源儲量5.25億t,主要包括石英砂巖、石英巖、粉石英、脈石英、水晶和天然石英砂,其中水晶、脈石英、粉石英、石英巖中SiO2含量較高,具有加工高純石英的資源潛力,但同時也存在一些問題阻礙著其應用,如水晶資源已枯竭;粉石英SiO2含量雖然達到98 %以上,但缺少天然粒度,不能用于高純石英加工;脈石英規模小,產狀變化大,品質不穩定;石英巖規模雖大,但只適用于中低端高純石英產品。長期以來,江西硅質原料以出售原礦和粗加工石英砂為主,對原礦所適用的石英砂品級未深入研究并加以區分。石英提純加工工藝技術落后,造成優質硅質原料被低估賤賣,尤其是寶貴的高品質高純石英用硅質原料。

2019年以來,江西省地質調查勘查院開展了高純石英用硅質原料找礦預研究、礦產地質調查與找礦預測、樣品選擇評價,與大學科研院所合作開展高純石英用硅質原料工藝礦物學研究、選礦試驗等一系列探索性工作。

遂川華云脈石英為特大型硅質原料礦床,原礦SiO2含量為97.66%,多期次熱液交代礦石品質呈現較大變化。通過微區元素分析,早期熱液石英SiO2含量為99.85%、中期SiO2含量為99.97%、晚期SiO2含量為99.95%,平均含量為99.89%,Al平均含量為754.55×10-6,(Li+Ti)含量平均為105.16×10-6,根據高純石英用硅質原料評價指標,未達到高純硅質原料指標。

宜黃花崗偉晶巖型高純石英用硅質原料估算礦物資源量達到中型以上,原礦石英SiO2含量為99.25%。通過微區元素分析,石英SiO2含量為99.96%,Al含量為116.15×10-6,(Li+Ti)含量為34.94×10-6,達到高純硅質原料指標。經“破碎—磨礦預篩分—磨礦—磁選—煅燒水淬—浮選—酸洗”提純工藝,獲得了SiO2含量為99.991%、雜質含量為89.79×10-6的高純石英砂。

寧都白云母偉晶花崗巖型高純石英用硅質原料預測礦物資源量為大型以上,原礦石英化學分析SiO2含量為99.88%、Al含量為375×10-6、(Li+Ti)含量為26.2×10-6。通過微區元素分析,石英SiO2含量為99.991%,Al含量為54.94×10-6,(Li+Ti)含量為14.74×10-6,達到高純硅質原料指標。白云母偉晶花崗巖中石英含量為44.16%,粒度粗,雜質賦存共生礦物、礦物包裹體和流體包裹體。塊狀石英中礦物包裹體含量少,占0.02%,礦物包裹體粒度主要為10～75 μm,占0.011 7%,屬于易剔除的雜質。煙灰色塊狀石英和白色塊狀石英流體包裹體占比分別為0.158和0.230,煙灰色石英品質更優,具有天然的可提純性能優勢,是理想的高純石英用硅質原料。

宜黃花崗偉晶巖獨居石U-Pb年齡為(412.99±0.88) Ma,賦礦圍巖黑云母二長花崗巖獨居石U-Pb年齡為(444.97±1.41) Ma,與Spruce Pine白崗巖成巖時代一致,均為早古生代侵入巖,屬地殼重熔型花崗巖。

綜上,花崗巖石英是高純石英用硅質原料最有利的成因類型,成礦時代主要為加里東期。研究認為,西武夷地區是花崗巖型高純石英用硅質原料的重要成礦區帶,已發現偉晶巖型、偉晶花崗巖型、白云母偉晶花崗巖型3類花崗巖型高純石英用硅質原料,預測資源量為2 665萬t(唐春花等,2023)。

4 結論

(1)高純石英的概念是由工業應用引進到找礦勘查領域,需要對一些基礎性的概念問題進行厘清和界定?；诮鼛啄甑墓ぷ鲗嵺`,對高純石英、高純石英用硅質原料、純度、關鍵雜質、高純品級等基本概念進行了研究界定,對高純石英用硅質原料的規范勘查具有指導意義。

(2)高純石英用硅質原料的評價應采用其中的石英單礦物。研究提出高純石英用硅質原料劃分為兩個品級:高純級(SiO2含量≥99.9 %,Al含量≤700×10-6,(Li+Ti)含量≤200×10-6)和超純級(SiO2含量≥99.995 %,Al含量≤35×10-6,(Li+Ti)含量≤10×10-6)。

(3)提出礦床成因研究、實驗檢測技術方法和選礦提純技術是高純石英用硅質原料研究中的關鍵技術問題,需要在高純石英研究工作中重視并尋求突破,才能真正解決我國高純石英“卡脖子”問題。高純石英用硅質原料應以白崗巖型、白云母偉晶花崗巖型和變質石英巖型為主攻方向,突破優質資源瓶頸。我國低雜質元素檢測技術短板,是制約原料和產品研究一個較大因素。氯化焙燒工藝與污染問題是選礦提純中的關鍵技術,晶格雜質極低的硅質原料和無污染工藝是解決該問題的根本。

(4)花崗巖石英是高純石英用硅質原料最有利的成因類型,是高純石英高端產品原料。西武夷地區是花崗巖型高純石英用硅質原料重要成礦區帶,隨著研究工作的深入,有望實現江西高純石英用硅質原料找礦重大突破。