石英砂的提純與檢測技術(shù)

一、背景

石英砂又稱硅砂，是一種常見的非金屬礦物原料。我國的石英砂選礦提純及深加工開發(fā)利用的比較晚，并且主要用于建筑工業(yè)、玻璃制造、陶瓷工業(yè)和鑄造工業(yè)，這些領(lǐng)域?qū)κ⑸暗男枨罅看?，但對原料質(zhì)量要求低。對于一些優(yōu)質(zhì)石英砂而言，基本上不經(jīng)過選礦提純或略經(jīng)提純，即可滿足工業(yè)用砂需求。  

目前，國外以美國的石英砂選礦提純技術(shù)最為先進，特點是工業(yè)化產(chǎn)量大、裝備專業(yè)化和生產(chǎn)自動化程度高，其產(chǎn)品已發(fā)展到第六代（雜質(zhì)總質(zhì)量分數(shù)小于8×10-6，透明度為光學(xué)級）。

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，高科技用硅的需求量將大量增加，而天然水晶資源的日趨枯竭使得人們不得不將目光轉(zhuǎn)向天然水晶的替代品——（超）高純石英砂。因此，推動石英砂選礦提純技術(shù)的進步，實現(xiàn)精制石英砂、（超）高純石英砂的低成本、大批量工業(yè)化生產(chǎn)，對彌補天然水晶資源的不足，滿足高科技用硅需求具有重要的現(xiàn)實意義。

二、石英砂的提純方法

石英砂提純是除去石英砂中少量或微量雜質(zhì)，獲得精制石英砂或高純石英砂（如電子級產(chǎn)品）的高難度分離技術(shù)。近年來，國內(nèi)外對石英砂提純工藝研究主要圍繞以下幾個方面進行：

1）水洗、分級脫泥  

石英砂中的SiO2的品位隨著石英砂粒度的變細而降低，鐵質(zhì)和鋁制等雜質(zhì)礦物的品位則正好相反，這種現(xiàn)象在含有大量粘土性質(zhì)礦物石英砂中尤為明顯。所以在入選前對石英砂原礦進行水選，分級脫泥是非常必要的，而且效果也是較為明顯的。

評價：水洗、分級脫泥作為一種礦石入選前的預(yù)處理方法，應(yīng)用的較早且普遍，但對于存在于石英砂表面的薄膜鐵和粘連性雜質(zhì)礦物，其脫除效果尚不顯著。 

2）擦洗  

擦洗是借助機械力和砂粒間的磨剝力來除去石英砂表面的薄膜鐵、粘結(jié)及泥性雜質(zhì)礦物和進一步擦碎未成單體的礦物集合體，再經(jīng)分級作業(yè)達到石英砂進一步提純的效果。

對于機械擦洗，一般認為影響擦洗效果的因素主要來自擦洗機的結(jié)構(gòu)特點和配置形式，其次為工藝因素，包括擦洗時間和擦洗濃度。

研究表明，砂礦擦洗濃度在50%-60%之間效果最好，而且在一定程度上反而加大了石英砂提純的難度；擦洗時間原則上以初步達到產(chǎn)品質(zhì)量要求為基準，不宜過長，因時間過長，會加大設(shè)備磨損，提高能耗和造成選礦提純成本的增加。

評價：由于對某些石英砂礦，機械擦洗擦除效果不太理想，因此，我國棒磨擦洗工業(yè)應(yīng)用較為普遍和相對成熟。

3）磁選  

磁選工藝的采用，可以最大限度的清除包括連生體顆粒在內(nèi)的赤鐵礦、褐鐵礦和黑云母等弱磁性雜質(zhì)礦物。強磁選通常采用濕式強磁選機或高梯度磁選機。

一般而言，對雜質(zhì)以褐鐵礦、赤鐵礦、黑云母等弱磁性雜質(zhì)礦物為主的石英砂，利用濕式強磁機在10000奧斯特以上可以選出；對含雜以磁鐵礦為主的強磁性礦物，則采用弱磁機對或中磁機進行選別效果比較好。

評價：當(dāng)石英砂原砂中含雜質(zhì)礦物較多時，僅采用擦洗、脫泥和磁選是不能將石英砂提純成高純砂的，為了進一步提高石英砂的純度和降除雜質(zhì)。 

4）浮選

考慮到含氟廢水對環(huán)境的嚴重影響，無氟有酸浮洗法應(yīng)運而生。無氟無酸浮選法是近年來大力開發(fā)的石英長石浮選分離新工藝，該方法是在自然中性介質(zhì)中，利用石英、長石結(jié)構(gòu)組成的差異，合理調(diào)配陰陽離子捕收劑的配比，優(yōu)先浮選出長石，實現(xiàn)二者的分離。

評價：無氟無酸浮選法不算成熟，目前尚未見到工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用的報道。云母與石英的等電點相近，分選難度大，采用酸性條件下陰離子捕收劑，或在堿性條件下陰-陽離子捕收劑兩種方法浮選，可獲得很好的效果。一般而言，經(jīng)過擦洗、脫泥、磁選和浮選后，石英砂的純度可達到99.3%-99.9%，基本上滿足工業(yè)用砂的需求。 

5）色選

色選是根據(jù)物料光學(xué)特性的差異，利用光電探測技術(shù)將顆粒物料中的異色顆粒自動分揀出來。色選機主要由給料系統(tǒng)、光學(xué)檢測系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)和分離執(zhí)行系統(tǒng)組成。

評價：色選用于石英砂行業(yè)利于將雜色礦物分選出來，或在選礦前期將石英塊按顏色差異進行分選。

6）酸浸 

酸浸是利用石英不溶于酸（HF除外），其他雜質(zhì)礦物能被酸液溶解的特點，從而可以實現(xiàn)對石英的進一步提純。酸浸常用酸類有硫酸、鹽酸、硝酸和氫氟酸等；還原劑有亞硫酸及其鹽類等。

研究發(fā)現(xiàn)，上述酸類對石英中的非金屬雜質(zhì)礦物均有良好的去除效果，但對不同的金屬雜質(zhì)，酸的種類及其濃度影響較為顯著。一般認為各種稀酸對Fe和Al的去除均有顯著效果，而對Ti和Cr的去除效果則采用較濃的硫酸、王水或HF進行酸浸處理。通常使用上述酸類組成的混合酸進行雜質(zhì)礦物的酸浸脫除，考慮到HF對石英的溶解作用，HF濃度一般不超過10%。

評價：酸浸各種因素的控制應(yīng)根據(jù)石英最終品位要求，盡量降低酸的濃度、溫度和用量，減少酸浸時間，以實現(xiàn)在較低的選礦成本下進行石英提純。經(jīng)過酸浸處理后的石英砂，可獲得純度達99.99%的高純石英砂。 

7 ）微生物浸出 

用微生物浸除石英砂顆粒表面的薄膜鐵或浸染鐵是新近發(fā)展起來的一種除鐵技術(shù)。

據(jù)國外研究結(jié)果表明，以黑曲霉素浸除鐵效果最佳，F(xiàn)e2O3的去除率多在75%以上，精礦Fe2O3的品位低達0.007%。

評價：目前微生物除鐵處于實驗室研究階段，規(guī)?；I(yè)的生產(chǎn)尚需作進一步的實驗研究。 

8）其他提純方法   

由于不同石英砂制品對雜質(zhì)礦物含量的不同要求，有時也采用一些其他的提純方法作進一步提純，如電選利用石英與雜質(zhì)礦物在電性上微小的差別，可選出微量金屬雜質(zhì)礦物；熱氯化方法可除去石英中的氣、液相雜質(zhì)和雜質(zhì)礦物、金屬包裹體對工藝過程中的表面污染，達到對石英砂進一步提純。

三、石英砂的檢測

石英砂的檢測主要包括以下幾個方面：白度檢測、二氧化硅檢測、鐵含量及鋁含量檢測等。 

石英砂的主要規(guī)格及標準：

石英砂技術(shù)指標：

如果你想更全面了解石英砂的提純與檢測技術(shù)，不妨在“2017石英砂精細加工及應(yīng)用技術(shù)交流會”中由中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院陳健研究員帶來的《石英砂的提純與檢測技術(shù)》報告中找答案。

姓名：陳健

職稱：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院應(yīng)用技術(shù)研究所研究員

專業(yè)：材料物理與化學(xué)

主要從事新材料的理論研究與制備和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。在Al-Si合金法提純硅料的理論研究中，提出了表觀偏析系數(shù)的概念和計算方法并用于提純動力學(xué)的研究，證明了動力學(xué)因素是控制提純效率的一個關(guān)鍵參數(shù)，在該理論的指導(dǎo)下，通過研究提純時的溫度場，熔體流場，電磁場以及雜質(zhì)元素的耦合交互作用，進一步發(fā)現(xiàn)了幾種新的提純機制，關(guān)鍵雜質(zhì)元素B和P的提純效率得到大幅度提高，均刷新了行業(yè)的記錄并突破了Al-Si-X三元體系熱力學(xué)提純效率理論極限，為太陽級硅料生產(chǎn)核心技術(shù)的突破打下了堅實基礎(chǔ)。

在加拿大6N Silicon Inc.工作時發(fā)明了Al-Si合金法提純硅料時初晶硅高效分離及副產(chǎn)品綜合利用技術(shù)，使生產(chǎn)成本大幅度降低，在世界上首次實現(xiàn)Al-Si合金法提純硅料技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，該技術(shù)在加拿大獲得多個獎項和北美主流媒體的廣泛關(guān)注和報導(dǎo)。

開發(fā)的熱處理技術(shù)能夠減小Al-Mg合金的時效軟化效應(yīng)，在生產(chǎn)中每年能夠節(jié)省大量的鋁合金；開發(fā)的磁性形狀記憶合金在美國海軍的某型號戰(zhàn)術(shù)巡航導(dǎo)彈飛行姿態(tài)控制裝置和加拿大海軍海底潮流能量捕獲裝置上試用。  

發(fā)表論文60余篇，并申請專利10余項。  

目前作為負責(zé)人承擔(dān)中科院百人計劃，國家自然科學(xué)基金等研究項目。