Trong quá trình hình thành tinh thể thạch anh, một số nguyên tố sẽ thay thế silicon. Điều này tạo thành các tạp chất cấu trúc của thạch anh. Hàm lượng các tạp chất này rất thấp. Rất khó để tách chúng ra khỏi thạch anh. Chúng là yếu tố quan trọng nhất hạn chế chất lượng của thạch anh có độ tinh khiết cao.
Trong các tạp chất cấu trúc thạch anh, hàm lượng nguyên tố tạp chất Al nói chung là cao nhất. Do Al tồn tại ở dạng Al3+ thay vì Si4+ gây mất cân bằng điện tích trong mạng thạch anh nên khi tồn tại một lượng lớn tạp chất Al trong thạch anh thì hàm lượng Li, K, Na và các nguyên tố tạp chất khác sẽ tăng lên. Do đó, hàm lượng Al trong thạch anh tự nhiên có thể được sử dụng để đánh giá chất lượng của nguyên liệu thạch anh thô.
Theo công nghệ xử lý hiện có, tạp chất mạng trong nguyên liệu thạch anh khó có thể được loại bỏ. Mặc dù hàm lượng nguyên tố Al ở dạng tạp chất mạng rất thấp nhưng lại cực kỳ khó loại bỏ, đây là chìa khóa quyết định chất lượng cuối cùng của thạch anh có độ tinh khiết cao.
Trong toàn bộ quá trình tinh chế, sau khi rang và làm nguội, tách từ tính, quá trình lọc axit, các nguyên tố tạp chất thạch anh Fe, Cr, Ni, Na, K, Ca, Mg, Cu, v.v. có thể được giảm đi rất nhiều. Tuy nhiên, sau một loạt quá trình tinh chế, hiệu quả loại bỏ Al bị hạn chế, chủ yếu là do Al3+ đi vào mạng tinh thể để thay thế Si4+ và bán kính ion tương đối gần với thạch anh nên không dễ làm sạch.
Tương tự, Ti4+, B3+, P3+ và các nguyên tố tạp chất khác. Có thể thấy, các tạp chất trong thạch anh tự nhiên, đặc biệt là sự có mặt của tạp chất ở trạng thái đồng nhất, trực tiếp hạn chế việc sản xuất các sản phẩm thạch anh có độ tinh khiết cao khi quặng gốc Al, Ti, Li, B, P và các loại khác các nguyên tố tạp chất có hàm lượng cao, không dễ để có được thạch anh có độ tinh khiết cao.
Ví dụ điển hình là thạch anh ở khu vực Na Uy, mặc dù có liên kết với nhiều loại khoáng vật như đá phiến xanh, nhưng có ít tạp chất dạng mạng và chứa ít thể vùi chất lỏng. Chúng được coi là có tiềm năng được xử lý thành thạch anh có độ tinh khiết cao và pegmatit ở khu vực Sierra de Comechigones (Argentina), mặc dù hàm lượng SiO2 cao nhưng rất khó được xử lý thành thạch anh có độ tinh khiết cao vì mức độ tạp chất mạng cao trong thạch anh hạt mịn hơn.
Tạp chất mạng, yếu tố quan trọng nhất hạn chế chất lượng của thạch anh có độ tinh khiết cao
Các tạp chất mạng trong năng lượng liên kết (Al3+, Ti4+)-O lớn hơn, Al, Ti thay vì Si trong mạng thạch anh để tạo thành [AlO4], [TiO4] mới, là nguyên tố tạp chất mạng thạch anh khó loại bỏ nhất .
Các tạp chất trong cấu trúc mạng tinh thể là nút thắt cuối cùng trong quá trình xử lý các sản phẩm thạch anh có độ tinh khiết cao, khó vượt qua. Để chọn đúng nguyên liệu thạch anh có độ tinh khiết cao và phát triển chương trình tinh chế thạch anh tốt nhất, cần làm rõ trạng thái của các nguyên tố tạp chất trong thạch anh.
Việc nghiên cứu các nguyên tố tạp chất ở trạng thái hiện nay bằng các phương pháp chính:
(1) Phân tích sàng lọc dữ liệu nhiễu xạ tia X;
(2) Phân tích hình ảnh quét bề mặt LA-ICP-MS;
(3) Phân tích quang phổ hấp thụ hồng ngoại;
(4) Đầu dò điện tử và phân tích phổ năng lượng;
(5) Đặc tính phát quang âm cực.
Hiện nay, quá trình rang clo là phương pháp hiệu quả hơn để loại bỏ tạp chất khỏi mạng tinh thể thạch anh. Quá trình rang clo hóa ở dưới nhiệt độ nóng chảy của thạch anh, và các thành phần tạp chất thạch anh và chất clo đóng vai trò tạo ra clorua và thạch anh dễ bay hơi trong quá trình rang clo hóa ở nhiệt độ cao. Có sự chuyển tiếp tinh thể sao cho các ion kim loại trong mạng thạch anh như Al3+, Ti4+, v.v. có thể di chuyển và khuếch tán lên bề mặt thạch anh. Hcl, NH4Cl và Cl2, v.v., trở thành các thành phần dễ bay hơi để tách thạch anh, nhưng cũng để ngăn các phần tử tạp chất di chuyển và khuếch tán đến quá trình làm mát mạng thạch anh, và sau đó đạt được phương pháp loại bỏ tạp chất hiệu quả hơn . Việc tách thạch anh còn ngăn ngừa các nguyên tố tạp chất trong quá trình làm nguội sau đó di chuyển và khuếch tán vào mạng thạch anh.
