某石英砂礦制取高純石英工藝研究

劉澤偉，鄒玄，趙陽(yáng)，李立園

（1. 新疆能源（集團(tuán)）晶拓科技材料有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 832000；2. 河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063000；3. 南昌職業(yè)學(xué)院，江西 南昌 330000）

高純石英砂是一種SiO2平均品位超過(guò)99.9%的優(yōu)質(zhì)石英砂[1]，是一種很重要的光電子材料，廣泛應(yīng)用于電子材料、光纖通訊等高技術(shù)領(lǐng)域[2]，其主要雜質(zhì)為鉀鈉長(zhǎng)石、云母等硅酸鹽類(lèi)礦物，由于物理性質(zhì)相近很難去除，所以高純石英砂的提純往往伴隨著化學(xué)提純。我國(guó)早期的高純石英砂原料主要為次級(jí)水晶，但由于傳統(tǒng)原料熔煉水晶資源已瀕臨枯竭，因此，中國(guó)大部分高純度石英砂都是進(jìn)口的，這種情況對(duì)中國(guó)石英業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了很大影響[3]。所以，必須盡快尋求更多地替代原料。我國(guó)新疆地區(qū)有著豐富的石英礦原料儲(chǔ)備，但是成礦原因復(fù)雜，性質(zhì)不穩(wěn)定，本試驗(yàn)以新疆地區(qū)某地石英礦作為原礦，進(jìn)行初步的石英提純探索試驗(yàn)。

1 原礦分析

原礦為新疆某地石英石，其中SiO2含量為99.30%，樣品的雜質(zhì)元素分析結(jié)果見(jiàn)表1，XRD測(cè)試見(jiàn)圖1。

表1 試樣雜質(zhì)元素分析/(μg·g-1)Table 1 Analysis of impurity elements in samples

圖1 XRD 分析圖譜Fig . 1 XRD analysis map

從表1 可以看出，雜質(zhì)元素主要是Fe、K、Ca、Al 和Na 等元素，并且總含量超過(guò)7000 μg/g。通過(guò)XRD 衍射圖與標(biāo)準(zhǔn)圖譜相比，發(fā)現(xiàn)所有峰都是石英峰。可以看出，礦石中石英的含量非常高，這與化學(xué)成分分析得到的結(jié)果一致[3]。

雜質(zhì)礦物顆粒在高溫下會(huì)發(fā)生分解等化學(xué)反應(yīng)，對(duì)石英礦石的下游應(yīng)用會(huì)有較大的影響，所以對(duì)石英礦石中每種雜質(zhì)礦物的顆粒大小和數(shù)量都進(jìn)行了單獨(dú)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 表礦物顆粒的大小和密度Table 2 Size and density of mineral particles

采用偏光顯微鏡在不同放大倍數(shù)下，對(duì)石英礦石薄片進(jìn)行了觀測(cè)（見(jiàn)圖2）。

圖2 石英礦的顯微鏡觀察( 左側(cè)單偏振光，右側(cè)單偏振光）Fig. 2 Microscopic observation of quartz ore slices (left side under orthogonal polarization and right side with single polarizat

圖2 左側(cè)為正交偏光下的圖片，右側(cè)為單偏光下的圖片。在正交偏光下可以看出，此石英礦石為多晶，由不同結(jié)晶取向（不同顏色）的石英單晶組成，晶粒的大小和分布相對(duì)均勻。

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)流程采用粗碎- 水淬- 中碎- 細(xì)碎- 磁選-浮選- 酸浸。因原礦粒度較大，先將原礦進(jìn)行粗碎達(dá)到合適粒度，然后在950℃下煅燒后進(jìn)行水淬，降低礦石硬度，同時(shí)暴露雜質(zhì)礦物。

2.1 磁選

為了減少對(duì)后續(xù)設(shè)備的負(fù)荷，并且將礦石中的磁性礦物去除，在浮選之前對(duì)礦石進(jìn)行了不同磁感應(yīng)強(qiáng)度的探索試驗(yàn)。磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響見(jiàn)圖3。

圖3 不同磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響Fig. 3 The influence of different magnetic induction intensity on the test result

從圖3 中可以得知，在磁感應(yīng)強(qiáng)度不斷增強(qiáng)的情況下，F(xiàn)e 元素含量和精礦產(chǎn)率都逐漸降低[4]。最終磁選精礦各雜質(zhì)元素含量見(jiàn)表3。

2.2 浮選

磁選后堿金屬、Fe 和Al 元素含量仍然很高，可能是與石英性質(zhì)相近的長(zhǎng)石與云母有關(guān)。但因長(zhǎng)石和云母表面性質(zhì)與石英存在差異，因此，采用浮選方法去除。試驗(yàn)流程見(jiàn)圖4。

圖4 浮選試驗(yàn)流程Fig .4 Flow chart of flotation test

2.2.1 pH 值

將捕收劑用量控制在1500 g/t，探討不同pH值對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響[5]，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同 pH 值對(duì)浮選試驗(yàn)結(jié)果的影響Fig. 5 Effect of different pH values on the results of flotation test

由圖5 可知，隨著 pH 值的增大，Al 元素和Fe元素含量不斷降低，在 pH=2.5時(shí)Fe的含量較低， Al 元素含量在 pH 值為2.5 ～ 3 范圍內(nèi)較低。這是因?yàn)楫?dāng)pH 值在2.5 ～ 3 范圍內(nèi)時(shí)，每種雜質(zhì)礦物的表面電性差異最大[6]。

2.2.2 捕收劑

將pH 值控制在2.5 ～ 3 之間，進(jìn)行捕收劑不同用量的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 捕收劑不同用量對(duì)浮選試驗(yàn)的影響Fig. 6 Effect of the amount of collecting agent on the flotation test

從圖6 可以得知，在捕收劑用量不斷增加的情況下，Al 元素和Fe 元素的含量不斷降低[7]；當(dāng)捕收劑用量多于1500 g/ t 時(shí)，雜質(zhì)元素含量趨于穩(wěn)定。綜合考慮，最后將捕收劑用量定為1500 g/t。

在pH 值保持在2 ～ 3、捕收劑用量為1500 g/t 時(shí)，所得精礦結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 浮選精礦雜質(zhì)元素含量/(μg·g-1)Table 4 Content of impurity elements in flotation concentrate

2.3 酸浸

將10 g浮選后的精礦加入到聚四氟乙烯瓶中，加入混合酸溶液，置于水浴中，并機(jī)械攪拌。影響酸浸的主要因素為：酸浸時(shí)間、溫度和液固比[8]。下面分別對(duì)三種影響因素進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3.1 酸浸時(shí)間

保持溫度為80℃、液固比為2:1 的情況下，進(jìn)行不同浸出時(shí)間的試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同浸出時(shí)間對(duì)礦石中各雜質(zhì)元素含量的影響 /10-6Table 5 Effect of different leaching time on the contents of impurity elements in ores/10-6

從表5 中可以得知，在酸浸時(shí)間不斷延長(zhǎng)的情況下，K、Na、Fe、Ca、Al 元素的含量不斷減少[9]。當(dāng)酸浸時(shí)間達(dá)到4 h 時(shí)，總雜質(zhì)含量基本達(dá)到最低為 70.81 μg/g，浸出時(shí)間的持續(xù)增加對(duì)雜質(zhì)去除幾乎沒(méi)有影響，因此最終確定酸浸時(shí)間為4 h。

2.3.2 不同液固比

保持溫度為80℃、浸出時(shí)間為4 h 的情況下，進(jìn)行不同液固比的試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 不同液固比對(duì)礦石樣品中雜質(zhì)元素含量的影響 /10-6Table 6 Effect of different liquid-solid ratio on the content of impurity elements in ore sample/10-6

從表6 中可以得知，在液固比不斷增大的過(guò)程中， Fe、Ca、K、Al、Na 的含量不斷減少[10]。 當(dāng)液固比達(dá)到2:1 時(shí)，總雜質(zhì)含量為 70.84μg/g，繼續(xù)增加用酸量對(duì)于雜質(zhì)元素的去除效果不大，所以最終確定液固比為2: 1。

2.3.3 酸浸溫度

在液固比為2:1、浸出時(shí)間為4 h 的情況下，進(jìn)行不同浸出溫度的試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同浸出溫度對(duì)礦樣中雜質(zhì)元素含量的影響 /10-6Table 7 Effect of different leaching temperature on the content of impurity elements in ore samples/10-6

從表7中可以得知，在溫度不斷升高的情況下， Fe、K、Al、Na、Ca 等元素的含量呈下降趨勢(shì)，并且總雜質(zhì)含量也逐漸降低。當(dāng)試驗(yàn)溫度達(dá)到80℃時(shí)，總雜質(zhì)含量為70.78 μg/g，繼續(xù)升高溫度雜質(zhì)去除效果不大，最終確定酸浸溫度為80℃。

2.5 羥基測(cè)試

對(duì)最終產(chǎn)品進(jìn)行了羥基測(cè)試，與美國(guó)砂對(duì)比見(jiàn)圖7。

圖7 羥基測(cè)試結(jié)果（1 為美國(guó)砂，2 為樣品）Fig .7 Test results for hydroxyl groups (1 for U.S. sand,2 for sample)

由圖7 可知，盡管經(jīng)過(guò)了前期的水淬處理，最終產(chǎn)品的羥基含量與美國(guó)砂相比仍然較高。

對(duì)最終產(chǎn)品進(jìn)行了下游試驗(yàn)。當(dāng)用量較少的時(shí)候，熔融后基本沒(méi)有氣泡，但是當(dāng)用量較大后，形成的最終產(chǎn)品中氣泡較多，工業(yè)價(jià)值很低，可能是由于羥基含量過(guò)高導(dǎo)致氣泡過(guò)多，下一步應(yīng)繼續(xù)探討羥基含量對(duì)最終產(chǎn)品的影響。

3 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)原礦進(jìn)行“粗碎-水粹-中碎-細(xì)碎-篩分- 磁選- 浮選- 酸浸” 工藝，能有效降低原礦中的雜質(zhì)，最終可得到SiO2含量為99.99%，雜質(zhì)元素含量為70.78 μg/g 的高純石英砂。

（2）浮選與酸洗可以有效去除原礦中的Al元素及堿金屬元素的含量，但是Al 元素的含量仍然偏高，或許有部分Al 存在于晶格中，有待于進(jìn)一步研究。

（3）最終產(chǎn)品與美國(guó)砂對(duì)比，羥基含量仍然較高，或許是導(dǎo)致下游產(chǎn)品試驗(yàn)失敗的主要原因，也有可能是堿金屬含量較高，導(dǎo)致產(chǎn)品在成型過(guò)程中速度較慢，從而導(dǎo)致下游產(chǎn)品中氣泡含量較高。下一步應(yīng)對(duì)降低堿金屬與羥基含量進(jìn)行針對(duì)性試驗(yàn)研究。