Качество кварца находится не в простом соответствии с содержанием примесных элементов в сырье, а тесно связано с селективностью примесей, определяемой минералогическими особенностями сырьевого процесса.
К примесным элементам, содержащимся в кварце, в основном относятся Al, Fe, K, Na, Ca, Mg, Ti, Li, Cr, Ni, Cu, B, Mn, P и т. д. Кварц можно классифицировать по размеру, распределению, наличию. форму и другие характеристики примесей. Средние примесные элементы делятся на три категории: самостоятельные жильные минеральные примеси, примеси включений и однородные по решетке примеси изоморфного замещения.
1. Жиловые минералы
Слюда, полевой шпат, гематит, турмалин, хлорит и глинистые минералы являются одними из основных источников примесных элементов в кварце. Они легко могут стать минеральными включениями в кварце в процессе геологической минерализации. Кварцевые жильные минералы можно эффективно отделить с помощью технических средств, таких как переработка минералов и химическая очистка.
Характеристики внедрения жильных минералов в кварц оказывают существенное влияние на эффект очистки кварца. Чем больше интенсивность трансформации кварца путем диагенеза и метаморфизма, тем очевиднее различие по внедрению кварца и жильных минералов, а характеристики внедрения постепенно меняются от смежного типа к щелевидному или даже обернутому и т. д., что значительно увеличивает трудность. разделения кварца и жильных минералов.
2. Включения примесей
Флюидные включения широко присутствуют в минералах и горных породах. Количество флюидных включений на кубический сантиметр составляет примерно от 102 до 109, а диаметр обычно менее 50 мкм. По состоянию содержащихся в них материалов флюидные включения в кварце можно разделить на чисто газовые, чисто жидкие, газожидкостные смешанные и трехфазные.
Флюид, захваченный в процессе формирования флюидного включения, представляет собой пересыщенный раствор. При понижении температуры он кристаллизуется из раствора с образованием дочерних минералов, включая галит, калиевую соль и некоторые силикатные минералы. Поэтому флюидные включения содержат Na, K, Ca и другие примеси, являющиеся одними из основных источников примесных элементов в кварце высокой чистоты.
К основным методам отделения флюидных включений в кварцевом песке относятся: метод механического дробления, метод дифференциальной коррозии, метод высокотемпературного разрыва, метод высокотемпературного термического хлорирования и др.
Размер флюидных включений в кварце обычно составляет от 1 до 50 мкм. Пока кварц измельчен до достаточно мелкого размера, большинство жидких включений в кварце можно отделить. Однако, учитывая требования к размеру частиц кварцевого песка, этот метод не является универсальным. характеристики; флюидные включения, распределенные в трещинах кварца, легче отделить от кварца путем механического дробления.
Метод дифференциальной коррозии предполагает наличие флюидных включений в дефектах кварца, что облегчает разрушение и растворение флюидных включений растворами кислот, что играет определенную роль в разделении флюидных включений в кварце.
Метод высокотемпературного разрыва использует разницу в коэффициентах теплового расширения кварца и флюидных включений для разделения кварца и флюидных включений. Во время процесса высокотемпературного обжига кварца, когда внутреннее давление жидкого включения превышает давление связывания кварца на включении, жидкое включение внезапно лопается, высвобождая внутренние примеси, а затем кислотная очистка может эффективно отделить флюидные включения-примеси в кварце.
Исследования показывают, что состав, размер, расположение и форма жидкостных включений влияют на поведение жидкостных включений при высокотемпературном разрыве. Температура взрыва включений, богатых жидкостью, обычно немного выше, чем равномерная температура, в то время как включения, богатые газом, могут оставаться при более высоких температурах без взрыва; Внутреннее давление разрыва жидкостных включений тесно связано с размером жидкостных включений, а для крупного кварца. Для большинства жидкостных включений внутреннее давление разрыва жидкостных включений размером 5–10 мкм обычно составляет менее 300 МПа, в то время как для некоторых более мелких жидкостей включений, внутреннее давление разрыва достигает 500 МПа и более. Температура взрыва крупных флюидных включений обычно ниже. , а некоторые очень мелкие жидкостные включения не лопаются даже при нагревании до очень высоких температур; для флюидных включений одинакового размера включения, расположенные на поверхности частиц кварца, с большей вероятностью лопнут при низком давлении, чем включения внутри. Внутреннее давление разрыва включений неправильной формы в кварце ниже, чем включений правильной формы. Когда жидкие включения взрываются при высокой температуре, увеличение внутреннего давления достигается главным образом за счет повышения температуры. Соответствующий выбор более высокой степени обжарки.
Изменение температуры благоприятствует разделению флюидных включений в кварце.
3. Решёточный изоморфизм заменяет примеси.
В процессе формирования кристалла кварца некоторые элементы заменяют кремниевый элемент и попадают в кристалл кварца, образуя структурные примеси в кварце. Существует три основных способа существования:
(1) Эквивалентное замещение, такое как изоморфное замещение Ti4+, Ge4+ и т. д. на Si4+;
(2) Замещение ионной группы, такой как Al3+ и соседний P5+, заменяющий Si4+;
(3) Замещение с компенсацией заряда, например, Al3+, Fe3+ заменяет Si4+ с образованием структурного центра [AlO4/M+]0 или [FeO4/M+]0, M+ действует как заряд ионного баланса ценовой компенсации, здесь M+ в основном представляет собой H+, Li+, На+, К+.
В настоящее время для отделения примесей решетчатой структуры в кварце в основном используются такие технологии, как кислотное выщелачивание и атмосферный обжиг. Хотя содержание этих примесных элементов в кварце очень низкое, их очень трудно отделить и удалить из кварца, что является весьма ограничительным фактором. Наиболее критический фактор для качества чистого кварцевого песка.
В процессе кислотного выщелачивания энергия связи и свойства связей металл-кислород (Me-O) в решетке кварца определяют легкость выщелачивания. Me (Li+, Na+, K+)-O имеет наименьшую энергию связи и легче всего разрушается, но поскольку ионы щелочных металлов играют роль в балансировании зарядов в кварце, их нельзя эффективно выщелачивать и разделять; Энергия связи Me (Fe3+, Cu2+, Ca2+, Mn2+ и др.)-O занимает второе место, и именно решетка в кварце легче выщелачивается и разделяется. Примесные элементы; Энергия связи Me(Al3+, Ti4+)-O велика, Al и Ti заменяют Si в решетке кварца с образованием новых [AlO4], [TiO4], которые являются наиболее трудным для выщелачивания и отделения элементом решеточной примеси в кварце.