一种基于热等离子体射流的石英砂纯化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于热等离子体射流的石英砂纯化方法，属于材料提纯技术领域。所述纯化方法包括以下步骤：采用热等离子体射流加热石英砂颗粒，将石英砂破碎进而去除其中的杂质，用去离子水收集后清洗得到纯化后的石英砂；产生热等离子体射流的等离子体火炬的工作功率为6～12kW，石英砂颗粒的通入流量为0.008～0.02kg/s。通过控制等离子体火炬的工作功率和颗粒通入流量来保证石英颗粒的温度始终低于其熔点，使得石英颗粒发生破碎但不会融化。采用热等离子体射流加热石英砂颗粒，在颗粒内部产生热应力和压应力，使得颗粒破碎，从而将颗粒内部的气液杂质和低沸点金属杂质挥发以达到清除颗粒内部杂质的效果。达到清除颗粒内部杂质的效果。达到清除颗粒内部杂质的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于热等离子体射流的石英砂纯化方法


[0001]本专利技术属于材料提纯
，具体涉及一种基于热等离子体射流的石英砂纯化方法。

技术介绍

[0002]高纯度石英是生产石英玻璃、光纤、太阳能电池片、集成电路板基板的主要原料，是一种重要的战略资源。虽然石英矿产储量丰富，但是高品位的石英精矿资源日益匮乏。目前石英提纯工艺一般包括煅烧、水淬、破碎、粉碎、磁选、浮选、酸浸、洗涤、脱水干燥等若干步骤，工艺比较复杂，生产的石英产品纯度也较低，难以满足光伏发电等领域对高纯度石英的要求。因此，迫切需要研发一种更加简单、有效的方法来对石英进行提纯得到高纯度石英。

技术实现思路

[0003]为解决现有技术中的上述问题，本专利技术提供了一种基于热等离子体射流的石英砂纯化方法，采用热等离子体射流加热石英砂颗粒的方法来对石英砂进行提纯，以解决现有工艺存在的工艺复杂和产品纯度低的问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
[0005]本专利技术提供了一种基于热等离子体射流的石英砂纯化方法，包括以下步骤：采用热等离子体射流加热石英砂颗粒，将石英砂破碎进而去除其中的杂质，用去离子水收集后再经超声波清洗即可得到纯化后的石英砂；
[0006]产生热等离子体射流的等离子体火炬的工作功率为6～12kW，所述石英砂颗粒的通入流量为0.008～0.02kg/s。
[0007]进一步地，采用热等离子体射流加热时，等离子体发生装置为射频等离子体火炬或者电弧等离子体火炬；
[0008]所述射频等离子体火炬的频率为3MHz。
[0009]进一步地，所述石英砂颗粒的粒径为0.1～0.4mm。
[0010]进一步地，所述热等离子体的发生气体包括氩气。
[0011]进一步地，所述等离子体火炬中还通入边界保护气体；所述边界保护气体包括氩气和氢气的混合气。
[0012]进一步地，所述氩气和氢气的混合气中，氢气的体积分数为2～7％。
[0013]进一步地，所述石英砂颗粒由载气吹入，载气流量为100～360slpm。
[0014]热等离子体射流可以通过电弧等离子体火炬和射频等离子体火炬产生，放电区温度可达一万K，射流温度能达到上千K，而这两种等离子体火炬的尺寸比较小，因此能产生很高的温度梯度和很大的能量密度，可以快速加热样品，适合用于材料纯化。
[0015]采用本专利技术的方法纯化石英砂时，颗粒发生破裂的原理可具体描述为：颗粒自身受热膨胀会产生热应力；一般天然形成的石英颗粒内部会存在包裹了气液杂质的空泡，空
泡中的气液杂质受热膨胀使得颗粒中产生压应力。在热应力与压应力的共同作用下，颗粒内部的总应力超过其应力破坏极限(50MPa)就会在颗粒内部产生裂纹，裂纹逐渐扩大导致颗粒破裂。
[0016]区别于其他材料提纯方法，使用热等离子体射流纯化石英以获得光学级高纯度石英需要保证石英颗粒不发生融化，因为融化会破坏石英的晶体结构，降低石英的光学性能，这可以通过调整等离子体火炬的工作功率和颗粒通入流量来保证石英颗粒的温度始终低于其熔点(1850K)(工作功率决定了等离子体射流的温度，颗粒通入流量决定了颗粒进入装置的速度，进而决定了颗粒在高温区停留的时间。因此通过控制工作功率和颗粒通入流量可以调整颗粒在纯化过程中被加热到的温度，从而保证石英颗粒温度始终低于熔点)。
[0017]本专利技术采用氩气作为等离子体的发生气体，氩气是惰性气体，同时是惰性气体中价格比较低，电离比较容易的一种，不会对加工的样品产生污染。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0019]本专利技术采用热等离子体射流加热石英砂颗粒，在快速受热过程中石英砂颗粒内部会形成较高的温度以及较大温度梯度，从而使得颗粒内部产生较高的热应力和压应力；当热压应力总值高于石英颗粒破坏极限时，石英颗粒就会发生破碎从而将颗粒内部的气液杂质和低沸点金属杂质挥发以达到清除颗粒内部杂质的效果。
[0020]本专利技术通过控制等离子体火炬的工作功率和石英颗粒的通入量来保证石英砂颗粒的温度始终低于其熔点(1850K)，使得石英砂颗粒在等离子体射流加热过程中能够发生破碎但不会融化，从而不会破坏石英的晶体结构，不会导致石英光学性能的下降。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]图1为实施例1采用的射频等离子体火炬的结构示意图；
[0023]图2为实施例1所采用的射频等离子体射流纯化装置的尺寸图；
[0024]图3为实施例1中热等离子体射流纯化石英的原理图；
[0025]图4为实施例1制备得到的高纯度石英的微观表面形貌图；
[0026]图5中，(a)、(b)、(c)为石英砂经过等离子体纯化之后不同放大倍数下的显微照片。
具体实施方式
[0027]现详细说明本专利技术的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本专利技术的限制，而应理解为是对本专利技术的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。应理解本专利技术中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本专利技术。
[0028]另外，对于本专利技术中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本专利技术内。这些较小范围的上限和下限可独立
地包括或排除在范围内。
[0029]除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本专利技术所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本专利技术仅描述了优选的方法和材料，但是在本专利技术的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
[0030]在不背离本专利技术的范围或精神的情况下，可对本专利技术说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本专利技术的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本专利技术说明书和实施例仅是示例性的。
[0031]关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
[0032]本专利技术提供了一种基于热等离子体射流的石英砂纯化方法，包括以下步骤：采用热等离子体射流加热石英砂颗粒，将石英砂破碎进而去除其中的杂质，用去离子水收集后再经超声波清洗即可得到纯化后的石英砂；
[0033]产生热等离子体射流的等离子体火炬的工作功率为6～12kW，所述石英砂颗粒的通入流量为0.008～0.02kg/s。
[0034]在一些优选实施中，产生热等离子体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于热等离子体射流的石英砂纯化方法，其特征在于，包括以下步骤：采用热等离子体射流加热石英砂颗粒，将石英砂破碎进而去除其中的杂质，用去离子水收集后再经超声波清洗即可得到纯化后的石英砂；产生热等离子体射流的等离子体火炬的工作功率为6～12kW，所述石英砂颗粒的通入流量为0.008～0.02kg/s。2.根据权利要求1所述的基于热等离子体射流的石英砂纯化方法，其特征在于，采用热等离子体射流加热时，等离子体发生装置为射频等离子体火炬或者电弧等离子体火炬；所述射频等离子体火炬的频率为3MHz。3.根据权利要求1所述的基于热等离子体射流的石英砂纯化方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：苗龙，聂明卿，朱政曦，梁福文，宋家辉，王宁飞，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：