高純石英SiO2 純度檢測方法研究

摘 要： 為解決高純石英SiO2 純度檢測結果存在準確度低和精確度差的缺陷，擬構建高純石英SiO2 純度檢測方法，包括化學分析法和儀器分析法。通過設計預處理過程耦合響應曲面法獲取優化的測試操作參數，并分析高純石英中雜質的主要種類以及雜質類別對檢測結果精確度的影響。結果表明：HF 酸劑量、樣品質量對測試結果的影響大于消解溫度和消解時間；化學分析法適用于純度為99.0%～99.9% 的高純石英樣品，相對標準偏差（DRS）≤5%，儀器分析法適用于純度為99.99% 的高純石英樣品，DRS≤20%。因此，構建的檢測方法適用于高純石英中SiO2 純度檢測，具有低檢出限和靈敏度高的優點。

關鍵詞： 高純石英; 二氧化硅; 分析方法; 響應曲面法; 探針反應

中圖分類號： TB9; O661 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）11–0082–08

0 引 言

石英是硅的氧化物之一，化學成分為SiO2。石英砂是石英加工后的產物，也是工業生產的直接原料[1]。從品質上，石英砂可分為普通、精制、高純、熔融等[2]，其中高純石英砂是應用最為廣泛的原材料，但提純技術復雜，全球掌握此技術的只有少數企業，行業技術壁壘較高。從產業鏈角度看，石英砂經過氣熔、電熔等工藝制成石英管、石英棒、石英坩堝等多種制品，主要應用于半導體、電光源、光伏等領域。這些高新技術領域對原料中SiO2 的純度要求很高，將SiO2 含量＞99% 的石英原料統稱為高純石英，硅基行業內將石英原料中SiO2 含量 ≥99.0% 的高純石英定義為2 N 級樣品，以此類推，SiO2 含量 ≥ 99.9% 和 ≥ 99.99% 的高純石英分別定義為3 N 和4 N 級樣品[3]。高純石英的主要雜質是重金屬，它們以雜質礦物、類質同像的形態存在石英礦物的晶格中[4]。4 N 及以上高端產品的國際市場幾乎被美國尤尼明公司所壟斷，但我國光伏、電子信息和高端電光源等行業對高純石英需求很大[3]。

在高純石英檢測行業還沒有統一的檢測標準，高純石英的主要成分是SiO2，針對于SiO2 檢測技術主要分為兩大類，即化學分析法和儀器分析法。化學分析法包括動物膠凝聚重量法、聚環氧乙烷凝聚重量法、高氯酸脫水重量法、四氟化硅直接揮發重量法、硅氟酸鉀滴定法、硅鉬藍光度法、氟硅酸鉀容量法等[2， 5-9]，而聚環氧乙烷凝聚重量法和動物膠凝聚重量法因為準確度高，被列為國家標準方法。例如，趙冬蘭[10] 在研究地質巖石SiO2 的含量測試中使用了動物膠凝聚重量法，回收率在98% 左右。李曼等[11] 運用聚環氧乙烷凝聚重量法結合ICPOES法測定玻璃中的SiO2，測定結果的相對標準偏差為0.45%（n=6），方法的回收率在98.6%～101.9%之間，表明該方法具有較高的準確度和精密度，但還未見文獻報道該方法用于高純石英的檢測。儀器分析法包括Ｘ射線熒光光譜法（XRF）、電感耦合等離子體發射光譜法（ICP-OES）和電感耦合等離子體發射光譜法（ ICP-MS） 等[12-18]。Dong 等[19] 結合ICP-OES 與ICP-MS 兩種技術聯用來測定雜質元素，通過扣除雜質元素的含量間接獲得樣品的SiO2 純度，該方法的變異系數為0.62%～9.73%。以上的報道均證明了化學分析法和儀器分析法能夠用于石英中SiO2 和雜質的檢測，但大部分方法局限于低含量的石英樣品檢測，根據本團隊的前期探索實驗發現，如果直接套用上述方法的操作參數用于高純石英SiO2 純度檢測，平行樣測試結果的相對標準偏差處于50%～200% 的范圍，因此獲得的實驗數據可信度不高。造成高純石英SiO2 純度檢測結果波動大的原因是：①平行樣中SiO2 的消解程度不一致；②高純石英中存在K、Ca、Na、Mg、Al 等輕金屬元素，SiO2 的消解程度不一致導致這些雜質元素的溶出程度不一致，因此測試精確度不高。

為了解決高純石英SiO2 純度檢測結果波動大的問題，本文利用沉淀和顯色反應，通過自制盛裝高純石英樣品的容器來保證平行樣中SiO2 的消解程度一致性以及優化儀器操作運行參數等措施，耦合化學分析法和儀器分析法（使用儀器為ICP-OES）來檢測不同SiO2 含量的高純石英樣品。其中，化學分析法的準確度適用范圍是2 N～3 N，儀器分析法準確度適用范圍是4 N，分別研究影響化學分析法和儀器分析法的測試因素，同時考察化學分析法和儀器分析法對不同純度高純石英檢測結果的準確性和精確性。