超高纯石英纯化制备及机理研究
采用脉石英替代日益枯竭的水晶资源制备超高纯石英，替代昂贵的进口石英，满足国内市场需求，打破长期被美国垄断的被动局面具有重要意义。本文从四个方面对超高纯石英纯化制备及机理进行了深入的研究。 采用XRD、ICP-MS、透/反射光两用显微镜、偏光显微镜、EPMA、LRM和显微微热台等分析方法，系统地分析了脉石英中固体、流体包裹体赋存状态及石英晶格中杂质元素的分布。该脉石英含有大量的包裹体，主要物相组成为钾长石、钠长石、云母、透辉石、铁铝榴石、钠闪石、黄铁矿、黄铜矿、赤铁矿及氯化钾晶体等。流体包裹体均为气液两相型，成分主要有 H2O、CO2、CH4、烃类等。石英晶格中微量Al、Fe、Ti等元素类质同象替代Si，均匀分布于石晶体中，但边缘有所富集。 采用EXCEL软件VBA语言代码，系统计算了硅酸盐、铝硅酸盐矿物在混合酸浸出体系中的分解反应化学平衡，构建了化学反应方程式、反应的始态、终态及反应平衡。分别计算出杂质矿物混合酸分解过程的热力学参数吉布斯自由能、平衡常数、ΔrGTΘ=A+BT等，并绘制组分分布图、Ellingham图。基于热力学方法建立了杂质矿物在混合酸浸出体系中分解排序规律与评价判据。杂质矿物分解反应ΔrGTΘ均<0，且小于石英与 HF、HCl分解反应ΔrGTΘ，杂质矿物分解反应均能自发进行，且优先于石英分解，石英纯化在热力学上是可行的。 分别研究了常压浸出、热压浸出、真空焙烧的最佳工艺参数与纯化效果。优化了真空焙烧-热压浸出联合纯化工艺，杂质元素 Al、Fe、K、Na、Ca、Mg含量分别为：7.9、0.652、1.804、15、3.276、0.344μg·g-1，制备出SiO2含量为99.996wt％的超高纯石英。联合工艺纯化效果优于单一纯化工艺。 通过构建高温Al-F-H2O系、FeS2-F-H2O系Eh-pH图，揭示了氟铝、氟硅和氟铁络合物稳定性区域及复杂的共存关系。AlF2+与AlF2+离子随着pH值增加逐渐转化为AlF3(a)、AlF4-、AlF52-及AlF63-。调控好反应体系 Eh和 pH，可有效控制浸出过程中杂质矿物分解反应条件。研究了真空焙烧对石英晶胞参数变化、晶型转变与石英纯化间的影响，揭示了Al、Fe、K、Na、Ca、Mg能谱面分布规律，元素特征 X射线光子的面分布密度从大至小依次为：常压浸出>热压浸出>真空焙烧-热压浸出。 研究表明常压混合酸分解纯矿物的反应均为一级反应，热压浸出，钠长石、黄铁矿分解反应属一级反应，钾长石、白云母分解反应为二级反应。基于杂质金属的多样性和复杂性采用差异化方法，按元素分类分别讨论了动力学理论模型并加以分析，具有重要的指导作用。常压浸出，Al、Fe、Na、Ca的去除符合不同控制过程的未反应缩核模型，而K的去除则符合Avrami模型-ln(1-x)=ktn，元素Al、Fe、K、Na、Ca、Mg纯化过程的表观活化能分别为：5.587、5.545、95.96、8.35、5.189和1.338 kJ·mol-1；热压浸出，Al、Fe、K、Na、Mg的去除均符合Avrami模型-ln(1-x)=ktn，而Ca的去除则符合内扩散控制未反应缩核模型，元素Al、Fe、K、Na、Ca、Mg纯化过程的表观活化能分别为：58.247、80.878、20.028、3.55、127.287和3.858 kJ·mol-1。
脉石英;动力学机理;超高纯石英;分解反应;纯化工艺
武汉理工大学
博士
矿物加工工程
雷绍民
2015
中文
P588.341
264
2016-06-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）