石英砂中杂质存在的形式

1.流体包裹体

矿物或岩石中广泛存在流体包裹体，每立方厘米中含有流体包裹体数量大约为10²~10⁹个，直径一般小于50um。流体包裹体的种类、尺寸和含量对高纯石英质量有着显著影响。石英中流体包裹按内含物质状态可以分为：纯气体、纯液体、气液混合包裹体和三相包裹体。流体包裹体在形成过程中所捕获的流体属过饱和溶液，当温度降低时会从溶液中结晶形成包括石盐、钾盐以及一些硅酸盐矿物的子矿物，因此流体包裹体中含有Na、K、Ca等杂质，是高纯石英产品中杂质主要来源之一。

流体包裹体对高纯石英的熔融行为存在严重的不利影响。刘泰荣”使用微波一酸浸技术对某脉石英进行了提纯研究，最终获得主要杂质元素总量37.71ppm、流体包裹体总含量98.90ppm的石英产品；可以发现：相比于杂质元素，流体包裹体除去难度更大，是影响最终石英产品质量的关键性因素之一。关于如何降低石英中流体包裹体含量的研究虽然已开展很久，但在脱除富气相、微小尺寸流体包裹体方面等方面并未取得良好进展。因此，选择流体包裹体含量极少或无流体包裹体的石英作为高纯石英原料是加工高纯石英的关键。

2.晶格杂质

石英晶体在形成过程中，一些元素会替代硅元素进入石英晶体中，形成了石英的结构性杂质。这些杂质含量虽然很低，但从石英中分离难度大，是制约高纯石英质量最关键性因素。微量元素在石英晶格中存在方式主要有3种:(1)等价替代，如Ti⁴⁺、Ge⁴⁺等与Si⁴⁺的类质同象替代;(2)离子团替代，如Al³⁺和相邻的P⁵⁺替代Si⁴⁺;(3)电荷补偿替代，如A1³⁺、Fe⁴⁺替代Si⁴⁺形成了[AIO/M⁺]°或[FeO/M⁺]°结构中心，M⁺充当电价补偿离子平衡电荷“在石英结构性杂质中，Al杂质元素含量一般最高。由于A1是以A1³⁺替代Si⁴⁺”的形式存在，引起了石英晶格内部电荷不平衡，当石英中存在大量Al杂质时，Li、K、Na等杂质元素的含量会增加。因此可以使用天然石英中A1的含量来判断石英原料的质量。

在现有加工技术下，石英原料中晶格杂质几乎不能被除去。图2某脉石英热压浸出后，石英颗粒剖面形貌图和石英颗粒剖面SEM-EDS分析图。图2(b)中A1元素均匀的分布于石英颗粒剖面，能谱亮点构成的形状与图2(a)石英颗粒相似，这些A1元素可能是以晶格杂质形式存在于石英晶体内部;图2(c)Mg元素面分布已难以判断石英外形，石英颗粒部分与黑色空自区域能谱图像亮点密度相差不大，多为能谱背景。使用(石墨炉)火焰原子吸收光谱(CFAAS/AAS)分析热压浸出后脉石英的Al和Mg含量分别为13.92ppm和0.59ppm，以晶格杂质形式存在的A1元素含量虽然极低但[13]除去难度极大，是制约高纯石英最终质量的关键。