高纯石英砂是电光源、太阳能电池、半导体集成电路等高新技术行业的基础性原料。作为高纯石英砂最佳原料的水晶资源已近枯竭,用石英矿替代水晶生产高纯石英砂具有重要意义。Nigeria石英矿资源丰富,已探明的石英矿产资源达2.6亿吨,目前出口到我国的石英矿价格低廉,且只进行简单粗加工,用作普通石英砂,造成资源的严重浪费。本文以Nigeria石英硅矿为研究对象,通过破碎-研磨-筛分-煅烧-酸浸等工艺剔除石英砂中的金属杂质和气液包裹体,进行4N高纯石英砂的制备研究。(1)通过电感耦合等离子光谱仪、扫描电镜、光学显微镜、X射线衍射仪、红外光谱仪对Nigeria石英矿进行矿物学研究,研究结果表明,Nigeria石英矿中主要的金属杂质为Al、Fe、Na、K、Li、Ca、Mg、Ti,金属杂质总含量为478 mg/kg,其中Al杂质含量最高,为270 mg/kg。这些金属杂质主要存在于黄铁矿、长石、云母、金红石、萤石等杂质矿物中,并且石英矿中还含有大量的气液包裹体,通过红外光谱分析可知,气液包裹体中含有大量水分子。(2)分别通过马弗炉加热和微波加热的方式对Nigeria石英矿进行高温煅烧处理,研究煅烧方式、煅烧温度、煅烧时间对石英砂中气液包裹体去除的影响。实验结果表明,高温煅烧能有效去除石英砂中的气液包裹体,并且微波煅烧去除石英砂中气液包裹体的效果优于马弗炉煅烧,微波煅烧的最佳温度为900℃,最佳时间为4 h;通过XRD分析可知,石英砂经微波煅烧处理后没有生成新的晶型。(3)通过微波煅烧-酸浸去除石英砂中金属杂质的实验研究,确定了三种酸溶液的最佳浓度分别为:c(HCl)=4 mol/L、c(HNO₃)=3 mol/L、c(H₂SO₄)=4 mol/L;将三种单酸溶液按体积比1:1:1配置成混酸溶液进行酸浸实验,研究结果表明,最佳酸浸温度为80℃、酸浸时间为4 h。采用ICP-OES对混酸酸浸后的石英砂进行分析,石英砂中金属杂质总含量为179.2 mg/kg,此时石英砂中Si O₂的含量为99.98%。(4)微波氯化煅烧-热压酸浸去除石英砂中金属杂质的实验表明:KCl、NaCl、CaCl₂三种氯化剂中KCl对石英砂中金属杂质的去除效果最好;将掺杂2.0 wt.%KCl的石英砂经微波900℃煅烧4 h后,用盐酸、硫酸、硝酸按体积比1:1:1混合配置好的混酸溶液进行热压酸浸,酸浸温度为200℃,酸浸时间为4 h,经热压酸浸后石英砂中金属杂质的总含量为85.1 mg/kg,总杂质去除率达到82.20%,此时石英砂中Si O₂的含量达到99.9915%,达到4N的标准。