能同时掌握矿源和提纯技术的高端高纯石英砂企业，正如供不应求的高端高纯石英砂产品一般具有高度的稀缺性，亦将受到产业与资本的高度青睐。

2023年，高纯石英砂价格大幅上涨，从2022年的几万元一吨上涨至2023年的几十万元一吨。在价格如此上涨的情况下，高端高纯石英砂依然供不应求，市场戏称“一砂难求”。看似普通的砂子，是如何从其貌不扬的石头脱胎换骨，成为“疯狂的砂子”，甚至影响到下游某些企业的开工率的呢？

高纯石英砂是指由天然石英矿物经过一系列物理和化学提纯技术生产的具有某种粒度规格的高纯非金属矿物原料，是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的矿物。高纯石英砂纯度高、品质好，生产的石英制品具有耐高温、耐腐蚀、低热膨胀性、高度绝缘性和高透光性等优异的物理化学特性，被广泛用于光伏、电子、高端电光源、薄膜材料、国防科技等领域，是高端制造行业不可替代的原辅材料。

国内学术界当前将高纯石英砂定义为：SiO2含量＞99.9%的石英产品，按产品标准可细分为低端（3N）、中端（4N）、高端（4N8）产品，低、中端产品已实现国产化，而高端产品则主要从海外进口。

高纯石英砂国际公认标准以尤尼明 IOTA-CG 为准：国际公认的高纯石英砂是以美国尤尼明公IOTA-CG 为标准，十二种杂质元素（Al,K,Na,Li,Ca,Mg,Fe,Mn,Cu,Cr,Ni,B）的含量小于20ppm，其中碱金属（K,Na,Li）分别小于1ppm 的高技术产品。

目前，高纯石英砂主要来源于石英矿物：高纯石英砂最初是从一、二级天然水晶中深度提纯得到的，天然水晶制备高纯石英砂工艺较为简单，水晶原矿经过粉碎、磁选、浮选、酸浸、干燥、焙烧后得到成品石英砂，但目前水晶资源逐渐匮乏，成本较高，且生产过程中杂质含量高、能耗高、产品质量稳定性差。自上世纪70年代开始，美国等国家开始探索用普通石英代替水晶制备高纯石英砂，从天然岩石矿物提取高纯石英砂原料是目前世界上生产天然高纯石英砂的最先进技术，对矿石的品质要求高，提纯技术复杂，目前全球只有美国尤尼明、挪威TQC和石英股份等极少数公司具备大规模化量产高纯石英砂的能力。目前，石英矿物逐渐替代水晶成为高纯石英砂的主要原料。美国尤尼明拥有的白岗岩矿石，矿体规模大、流体杂质少，品质稳定，加之其领先的高纯砂提纯技术，在全球高纯石英砂市场占据垄断地位。我国高纯石英砂需求量巨大，每年仍需从国外大量进口。

我国在高纯石英砂研发与生产方面力量相对薄弱，在石英股份掌握高纯石英砂提纯技术前，我国尚未有一家企业能大批量稳定供应高纯石英砂。从20世纪80年代末起，我国就开始研究石英砂的提纯工艺，但在2009年以前，我国的石英砂的生产工艺仍普遍简单粗糙、缺乏技术含量。2009年，石英股份成功攻克了高纯石英砂提纯技术难题，实现了高纯石英砂规模化生产，成为世界少数几家具有大规模生产高纯石英砂能力的公司之一。

1、矿源

高纯石英砂纯度取决于石英原料质量：高纯石英砂纯度与原料中杂质元素含量高低并不是简单的对应关系，而是与原料工艺矿物学特征所决定的杂质可选性密切相关。不同类型石英矿的矿物学特征存在明显差异，石英矿的矿物学特征主要有四类：

（1）化学成分与杂质元素赋存状态：化学成分只反应了石英所含元素的种类和含量，但难以对石英原料是否具备加工为高纯石英的潜力做出正确判断。石英原料具有杂质元素种类多、含量高、赋存状态多样化等特点；

（2）矿物组成与嵌布特征：共伴生独立脉石矿物（如云母、长石、赤铁矿、电气石、绿泥石和黏土矿物等）是石英中杂质元素的主要载体矿物，且在地质成矿过程中佷容易成为石英中的矿物包裹体，是制约最终石英产品质量的重要因素之一。石英与脉石矿物嵌布特征直接影响石英单体解离度，进而影响选矿提纯效果。石英受成岩作用和变质作用改造强度越大，石英与脉石矿物的嵌布差异越明显，嵌布特征也逐渐由毗邻型转变为缝状、甚至包裹型，在粉碎过程中单体解离难度依次增加，被加工为高纯石英的可能性也逐渐降低；

（3）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50μm。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碱金属K、Na、Li离子和碱土金属Ca、Mg离子。石英制品在高温下具有变成二氧化硅的晶体（方石英）的趋向，通常称为析晶。析晶会影响石英制品的产品性能，而碱金属杂质会诱发析晶现象。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。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之一；

（4）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。这些杂质含量很低，但从石英中分离难度较大，是制约高纯石英质量关键性因素之一。在石英结构性杂质中，Al杂质元素含量一般最高。由于Al是以Al3+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。在现有加工技术下，石英原料中晶格杂质几乎不能被除去。以晶格杂质形式存在的Al元素含量虽然较低但除去难度极大，是制约高纯石英最终质量的关键之一。

实践证明，依目前的加工技术水平，并不是所有的脉石英和花岗岩石英都能够加工高纯石英，能够加工高端产品的只是极少数，甚至是极个别。矿源质量差异对国产厂商提出较高的技术要求，天然石英矿石因形成的地质条件不同，直接影响了生产提纯后的高纯石英砂的质量，全球不同产地的天然石英矿的杂质含量、杂质分布、化学元素等指标各不相同。尤尼明和TQC几乎垄断了IOTA超纯石英的生产和销售，其矿源坐落于美国北卡罗来纳州西部米切尔县（Mitchell  County）的斯普鲁斯派恩镇，主要造岩矿物为斜长石、钾长石、石英、白云母，几乎不含镁铁质矿物，石英的杂质元素含量极低。二战前，当地主要开采云母片岩、伟晶岩中的云母和长石，剩下的石英被认为是垃圾，好一点的用作建筑砂，大部分都与其他尾矿一起被丢弃。1970年后，国际市场对高纯石英砂的需求快速增长，MRL实验室改进浮选工艺，对矿区的云母长石矿尾矿开展选矿实验，最终建成一套成熟的高纯石英提纯流程，成为流行世界的标准提纯工艺。我国石英成岩条件与美国不同，国产厂商使用的脉石英多形成于岩浆热液条件，虽然石英含量高，但具有石英中流体杂质多、矿体规模小、矿石品质不稳定等缺点。因此，对国内矿石的提纯技术和工艺较国际更为复杂。

2、提纯

石英矿物深度提纯技术是制备高纯石英砂的主流技术，高纯石英的制备方法主要有三大类，分别为天然水晶粉磨加工、石英矿物深度提纯及用含硅化合物化学合成。由于天然水晶资源逐渐枯竭，而化学合成法技术较复杂、成本较高，难以大规模工业应用，因此，石英矿物深度提纯技术是制备高纯石英砂的主流技术。

高纯石英矿物深度提纯技术包括分离杂质和去除包裹体两个核心环节，其原理为粉碎分级使石英矿物与脉石矿物单体解离并得到相应粒级的石英颗粒，之后再根据石英中杂质元素赋存状态选择有针对性的加工技术使独立矿物杂质、包裹 体杂质和晶格杂质与石英有效分离。主要工艺环节包括：粉碎（粗碎、细碎和磨矿）、分选（粒度分选、浮选、磁选）和化学浸滤，具体如下：

（1）粉碎—分级预处理：预处理阶段目的是初步筛选杂质或将石英原料破碎到有利于杂质释放与后续处理的所需的粒度，一般采用机械破碎、电动粉碎、光学分选、超声破碎、热冲击破碎等处理方式。

石英粉碎处理需要考虑到有效单体的解离效果和粉碎过程中二次污染两个方面因素：石英解离过程中为了避免铁杂质的二次污染影响和提高解离效果，可采取热力粉碎、高压脉冲粉碎、超声破碎手段。但这些方法缺点是能耗大、成本高，而传统机械法相较于上述方法具有低成本和较高的二次污染特点。传统机械法是使用颚式破碎机或锥形破碎机将矿物粉碎到所需的粒度，颗粒形态为不规则 棱角状。相对于传统机械法，脉冲放电破碎岩石具有更明显的优势，主要分为液电效应破碎和电破碎两种形式，高压放电产生的冲击波，使岩石沿晶界断裂并有选择性地指向矿物包裹体，有利于杂质的释放和后续的处理，还可最大程度地保留矿物的粒度和形貌特征；脉冲放电破碎通常在水介质中进行，具有无尘环保的特点。与传统破碎相比，电动破碎在处理杂质方面更有效，而且不会引入大量的铁污染。

（2）共伴生独立矿物分选：分选石英中矿物杂质最常用方法是磁选和浮选。多段强磁选不仅可以从石英中分选出已单体解离的强磁性和弱磁性矿物杂质，而且对石英中磁性矿物包裹体和连生体也有一定分选效果。云母、长石等硅酸盐矿物是石英中铝杂质的主要来源之一，由于其与石英物理、化学性质类似，常采用浮选法进行分离。为了有效降低石英中铝杂质含量，需要进行多次精选。通过预 处理和物理分选后，石英中绝大部分独立矿物杂质已被分离，SiO2含量一般可以达到99.9%左右，但并未达到高纯石英的技术要求，主要因为预处理和物理分选只对石英和独立矿物杂质分离具有显著效果，对降低石英中包裹体杂质和晶格杂质几乎没有作用。

（3）包裹体杂质与石英分离：与物理选矿相比，化学处理去除杂质的效率更高，酸可在微裂缝和晶界内深度渗透的优势可更好地处理包裹体和晶格类型的杂质。酸洗、浸出和热氯化是三种主要的化学处理工艺。酸洗和浸出对包裹体杂质处理效果较好，而热氯化可以清除较难处理的晶格杂质。酸洗是使用盐酸或硫酸等溶解力较低的酸，而浸出则使用高温的氢氟酸，以最有效地去除表面游离杂质和富集在微裂纹和沿位错的杂质。

1）矿物包裹体混合酸溶解：矿物包裹体混合酸溶解利用石英只能溶解在氢氟酸中，而其他矿物包裹体杂质能被酸溶解的特点，实现石英与杂质的分离，常用的酸有硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸等。天然石英矿物中杂质种类多且存在形式复杂，使用混合酸溶解石英中矿物包裹体杂质对石英砂提纯效果最佳。混合酸溶解矿物杂质被认为是高纯石英加工过程中最重要环节之一，在矿物杂质被溶解的 同时也可能脱除石英中的晶格杂质。但混合酸溶解矿物杂质反应程度低、过程缓慢，不仅消耗了大量时间和酸溶液，同时也造成了严重的环境问题。

2）流体包裹体高温爆裂：石英在高温焙烧过程中，随着温度升高当流体包裹体内部压力大于石英对包裹体束缚压力时，流体包裹体发生突然爆裂内部杂质得以释放，再经后续酸清洗可以除去流体包裹体内部杂质。

3）氯化脱气：氯化脱气是将石英加热到1000-1500℃并通入 Cl2、HCl 或混合气体的高温处理方法，不仅可以使金属杂质元素在高温下生成气态氯化盐挥发出来，更对石英中的流体包裹体有一定的脱除效果。其原理为：高浓氯气作用下，石英颗粒表面与内部会存在促使流体包裹体向外扩散的化学位梯度，进而脱除了石英中的气液包裹体和羟基。

4）晶格杂质脱除：氯化脱气除了有助于脱除流体包裹体外，也有助于脱除晶格杂质。其原理为：1500℃高温时，石英向方石英相转化，会发生键的断裂和重组，石英晶格发生膨胀，有利于金属杂质元素向石英表面迁移扩散。相比于真空气氛焙烧，氮气气氛焙烧时石英向方石英转化率更大，石英晶格杂质元素迁移扩散效率可能更高。石英中的杂质组分与氯化剂作用转变为氯化物而挥发出来，石英在高温氯化焙烧过程中存在晶型转变，使得石英晶格中的金属离子可能会迁移扩散到石英表面，与HCl、NH4Cl和Cl2等发生化学反应变成易挥发组分而实现与石英的分离，同时也阻止了杂质元素在冷却过程再迁移扩散至石英晶格中。

高端高纯石英砂是光伏、半导体生产过程中必不可少的关键基础材料，在我国战略新兴产业中具有非常重要的作用。原矿的资源稀缺性以及提纯工艺高超的技术要求共同构建了高端高纯石英砂非常高的行业壁垒。我国可以大规模稳定供应且能满足下游高端需求的石英砂产能十分有限，尚无法充分满足当下处于高速发展的光伏、半导体等下游产业巨大的需求，从而诞生了“疯狂的砂子”。可以预见，能同时掌握矿源和提纯技术的高端高纯石英砂企业，正如供不应求的高端高纯石英砂产品一般具有高度的稀缺性，亦将受到产业与资本的高度青睐。

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