陜西某石英砂工藝礦物學及可選性實驗

肖蘄航 ，李育彪 ，湯啟宙

（1. 武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院，湖北 武漢 430070；2. 武鋼資源集團程潮礦業(yè)有限公司，湖北 鄂州 436051）

近年來，光伏產業(yè)發(fā)展迅猛，光伏玻璃需求量急劇增加，2020 年下半年以來，光伏玻璃價格一度接近翻倍。而光伏玻璃作為光伏產業(yè)的重要組成部分，要求石英砂原料中有色雜質含量低，透明、透光性能好。為增加光伏玻璃透光性，石英砂原料中Fe2O3含量需低于0.0080%[1]。中國光伏新增裝機容量連續(xù)多年穩(wěn)居全球第一，每年新增裝機容量均保持在10%以上的增長速度，市場前景廣闊。因此，對石英砂進行純化是制備光伏玻璃的必經之路，在應對能源危機及環(huán)境保護方面都具有十分重要的現實意義。

研究人員開展了大量關于石英砂提純的研究工作，主要集中于原料選擇技術、性質分析技術、提純加工技術和質量檢測技術四個方面，但目前為止，針對石英原料性質分析的研究報道較少，阻礙了我國石英資源的高效開發(fā)與利用，甚至嚴重制約了下游高新技術產業(yè)的發(fā)展。

陜西某地石英巖礦帶規(guī)模較大，石英砂資源儲量豐富，高值高效利用該地石英砂資源將有助于當地經濟發(fā)展。本文針對石英原礦的化學成分、礦物組成、粒度分布及雜質元素賦存狀態(tài)等進行了詳細研究，并進行了可選性實驗，對其作為生產加工光伏玻璃石英砂的可行性做出評價，取得了較好的結果。

1 工藝礦物學研究

通過工藝礦物學研究石英原礦礦物組成、礦物粒度、元素賦存狀態(tài)、礦物之間的嵌布特征等[2-3]，以期揭示各礦物之間的相互依存關系，有利于分選及實驗流程設計[4-5]。

1.1 化學成分分析

本文以陜西某石英砂為實驗原料，采用電感耦合等離子體光譜儀(ICP-OES) 對其化學成分進行測試，將測試結果換算為金屬氧化物質量分數，結果見表1。由結果可知，該石英砂SiO2含量為99.64%，質地較純凈，但雜質元素含量較高，主要為Al2O3、Fe2O3、TiO2、 K2O、Na2O等，是提純的主要目標。

表1 石英砂提純實驗樣品主要元素分析結果/（μg·g-1）Table 1 Analysis results of main elements of quartz sand purification experimental samples

1.2 礦物組成分析

原礦石英砂XRD 圖譜見圖1，與礦物標準圖譜進行比對，樣品中礦物峰與石英特征峰相吻合，且衍射峰強度較高，未見其他雜質礦物特征衍射峰，說明該石英砂原礦純度較高，與ICP 測試結果一致。

圖1 石英砂石X 射線衍射Fig.1 X-ray diffraction of quartz sand

為進一步觀察石英砂顆粒聚集狀態(tài)、粒度大小及分布、雜質礦物的組成及嵌布特征等，將石英砂原礦樣品磨制光學薄片后，利用萊卡公司DMLP 型光學顯微鏡進行研究分析，結果見圖2。

圖2 石英砂礦光學顯微鏡照片Fig.2 Optical microscope photo of quartz sand ore

圖中石英砂顆粒（Q）在光學顯微鏡表現為無色透明，形狀呈不規(guī)則多邊形，視域范圍內呈離散雜亂分布，石英顆粒表面偶見微裂紋，雜質礦物組成及嵌布特征復雜，主要以包裹體形式或與石英顆粒形成集合體分布在石英邊界和空隙處。可見鱗片狀粒度較大不透明黑云母（B），金紅石（R）分布在部分石英顆粒表面。

1.3 粒度分布特征

圖3 為石英砂粒度分布曲線。由圖可以看出原礦石英砂粒度分布范圍較廣，石英砂粒度主要集中分布于150～300 μm 范圍內，占總量60%以上。其中粒度分布為D10=121.462 μm，D50=223.646μm，D90=399.528 μm，石英晶粒單體粒徑最大為722 μm，最小為74 μm，粒度分布特征表現為粗細粒分布不均勻。

圖3 石英砂粒度分布曲線Fig.3 Quartz sand particle size distribution curve

1.4 雜質元素賦存狀態(tài)

采用電子探針X 射線微區(qū)分析儀（EPMA）對石英砂原礦薄片進行雜質賦存狀態(tài)分析，得到了Si、O、Al、Na、K、Mg、Fe、Ca 七種元素及其含量，三個不同視域內微區(qū)形貌與能譜圖見圖4，結果見表2。結果表明：石英砂原礦中主要雜質礦物包裹體為：斜長石、（鉀）長石、云母、粘土礦物、金紅石、鈦鐵礦等，其中Al 元素存在于云母、長石、高嶺土和粘土礦物中；Na 元素存于與長石、粘土礦物中；K 元素存在于云母、鉀長石、粘土礦物中；Ca 元素存在于長石、云母、粘土礦物中；Mg 元素存在于長石、黑云母、粘土礦物中；Fe 元素存在于氧化鐵、鈦鐵礦中；Ti 元素存在于金紅石、鈦鐵礦中。

圖4 三個不同視域內石英砂電子探針能譜Fig.4 Electron probe energy spectrum of quartz sand in three different fields of view

表2 電子探針能譜分析結果/%Table 2 Electron probe energy spectrum analysis results

圖5 是采用電子探針對圖4 中三個視域石英砂中雜質元素分布狀態(tài)進行能譜面掃描的分析結果。結果表明，Si、O 元素均勻分布于石英內部區(qū)域，而雜質元素零星分散分布于石英晶體中，但在邊緣斷裂面處有部分富集，不同雜質元素在石英晶體中分布量存在差異，表明雜質元素在石英晶格中可能以類質同象的形式取代 Si，分布在石英顆粒內部。

圖5 石英砂面掃描分析結果Fig.5 Scanning analyses of quartz sand surface

2 可選性實驗

結合石英砂礦樣性質，對鈦鐵礦、金紅石等比重較大的脈石礦物，可通過重選方法進行選別，對含Fe 雜質礦物如磁鐵礦、氧化鐵等可以通過磁選去除，而石英砂表面的氧化鐵薄膜則可以借助擦洗去除，長石、云母等粘土類礦物可采用浮選方法進行分離。由于石英砂顆粒中Al、K、Fe 等元素可能以雜質礦物包裹體形式賦存于石英顆粒表面及裂隙處，可采用化學酸浸去除此類雜質礦物。

通過分析，采取重選-磁選-擦洗-浮選-酸浸的提純工藝路線進行可選性實驗研究，流程見圖6。

圖6 石英砂選礦提純實驗流程Fig.6 Test flow of quartz sand beneficiation and purification

表1 為石英砂原樣在提純實驗各階段的化學元素分析。原礦經重選、磁選、擦洗、浮選、酸浸工藝提純后，最終制得的石英砂精礦中SiO2含量可達99.90%，總回收率為91.27%，總雜質元素含量降至909.85 μg/g，殘余Al、K、Na 及Ti 等雜質元素賦存狀態(tài)可能為晶格取代或以類質同象形式存在于石英晶體中。后續(xù)工藝需在有效暴露礦物包裹體及去除晶格間雜質元素方面進行改進和提升。

3 結 論

（1）石英砂原礦SiO2含量為99.64%，雜質元素主要存在于伴生脈石礦物、雜質礦物包裹體和晶格內部。Al 元素主要賦存于云母、長石、高嶺土和粘土礦物中；Na 元素主要賦存于與長石、粘土礦物中；K 元素主要賦存于云母、鉀長石、粘土礦物中；Ca 元素主要賦存于長石、云母、粘土礦物中；Mg 元素主要賦存于長石、黑云母、粘土礦物中；Fe 元素主要賦存于氧化鐵、鈦鐵礦中；Ti 元素主要賦存于金紅石、鈦鐵礦中。

（2）通過重選—磁選—擦洗—浮選—酸浸除雜提純工藝后處理后SiO2含量達99.90%、Fe2O3含量為41.58×10-6μg/g，產品質量得到明顯提升，最終石英砂精礦符合高端光伏石英砂原料標準，在太陽能利用領域展現出廣闊的市場應用前景，具有巨大的經濟效益。