某石英砂礦制取高純石英工藝研究

劉澤偉，鄒玄，趙陽，李立園

（1. 新疆能源（集團）晶拓科技材料有限責任公司，新疆 烏魯木齊 832000；2. 河北鋼鐵集團礦業有限公司，河北 唐山 063000；3. 南昌職業學院，江西 南昌 330000）

高純石英砂是一種SiO2平均品位超過99.9%的優質石英砂[1]，是一種很重要的光電子材料，廣泛應用于電子材料、光纖通訊等高技術領域[2]，其主要雜質為鉀鈉長石、云母等硅酸鹽類礦物，由于物理性質相近很難去除，所以高純石英砂的提純往往伴隨著化學提純。我國早期的高純石英砂原料主要為次級水晶，但由于傳統原料熔煉水晶資源已瀕臨枯竭，因此，中國大部分高純度石英砂都是進口的，這種情況對中國石英業的發展產生了很大影響[3]。所以，必須盡快尋求更多地替代原料。我國新疆地區有著豐富的石英礦原料儲備，但是成礦原因復雜，性質不穩定，本試驗以新疆地區某地石英礦作為原礦，進行初步的石英提純探索試驗。

1 原礦分析

原礦為新疆某地石英石，其中SiO2含量為99.30%，樣品的雜質元素分析結果見表1，XRD測試見圖1。

表1 試樣雜質元素分析/(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，雜質元素主要是Fe、K、Ca、Al 和Na 等元素，并且總含量超過7000 μg/g。通過XRD 衍射圖與標準圖譜相比，發現所有峰都是石英峰。可以看出，礦石中石英的含量非常高，這與化學成分分析得到的結果一致[3]。

雜質礦物顆粒在高溫下會發生分解等化學反應，對石英礦石的下游應用會有較大的影響，所以對石英礦石中每種雜質礦物的顆粒大小和數量都進行了單獨統計，結果見表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下，對石英礦石薄片進行了觀測（見圖2）。

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

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

2 結果與討論

試驗流程采用粗碎- 水淬- 中碎- 細碎- 磁選-浮選- 酸浸。因原礦粒度較大，先將原礦進行粗碎達到合適粒度，然后在950℃下煅燒后進行水淬，降低礦石硬度，同時暴露雜質礦物。

2.1 磁選

為了減少對后續設備的負荷，并且將礦石中的磁性礦物去除，在浮選之前對礦石進行了不同磁感應強度的探索試驗。磁感應強度對試驗結果影響見圖3。

圖3 不同磁感應強度對試驗結果的影響Fig. 3 The influence of different magnetic induction intensity on the test result

從圖3 中可以得知，在磁感應強度不斷增強的情況下，Fe 元素含量和精礦產率都逐漸降低[4]。最終磁選精礦各雜質元素含量見表3。

2.2 浮選

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

圖4 浮選試驗流程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值對試驗結果的影響[5]，結果見圖5。

圖5 不同 pH 值對浮選試驗結果的影響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Fe的含量較低， Al 元素含量在 pH 值為2.5 ～ 3 范圍內較低。這是因為當pH 值在2.5 ～ 3 范圍內時，每種雜質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，進行捕收劑不同用量的試驗，試驗結果見圖6。

圖6 捕收劑不同用量對浮選試驗的影響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]；當捕收劑用量多于1500 g/ t 時，雜質元素含量趨于穩定。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，所得精礦結果見表4。

表4 浮選精礦雜質元素含量/(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，并機械攪拌。影響酸浸的主要因素為：酸浸時間、溫度和液固比[8]。下面分別對三種影響因素進行試驗。

2.3.1 酸浸時間

保持溫度為80℃、液固比為2:1 的情況下，進行不同浸出時間的試驗，結果見表5。

表5 不同浸出時間對礦石中各雜質元素含量的影響 /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，在酸浸時間不斷延長的情況下，K、Na、Fe、Ca、Al 元素的含量不斷減少[9]。當酸浸時間達到4 h 時，總雜質含量基本達到最低為 70.81 μg/g，浸出時間的持續增加對雜質去除幾乎沒有影響，因此最終確定酸浸時間為4 h。

2.3.2 不同液固比

保持溫度為80℃、浸出時間為4 h 的情況下，進行不同液固比的試驗，結果見表6。

表6 不同液固比對礦石樣品中雜質元素含量的影響 /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程中， Fe、Ca、K、Al、Na 的含量不斷減少[10]。 當液固比達到2:1 時，總雜質含量為 70.84μg/g，繼續增加用酸量對于雜質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、浸出時間為4 h 的情況下，進行不同浸出溫度的試驗，結果見表7。

表7 不同浸出溫度對礦樣中雜質元素含量的影響 /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，并且總雜質含量也逐漸降低。當試驗溫度達到80℃時，總雜質含量為70.78 μg/g，繼續升高溫度雜質去除效果不大，最終確定酸浸溫度為80℃。

2.5 羥基測試

對最終產品進行了羥基測試，與美國砂對比見圖7。

圖7 羥基測試結果（1 為美國砂，2 為樣品）Fig .7 Test results for hydroxyl groups (1 for U.S. sand,2 for sample)

由圖7 可知，盡管經過了前期的水淬處理，最終產品的羥基含量與美國砂相比仍然較高。

對最終產品進行了下游試驗。當用量較少的時候，熔融后基本沒有氣泡，但是當用量較大后，形成的最終產品中氣泡較多，工業價值很低，可能是由于羥基含量過高導致氣泡過多，下一步應繼續探討羥基含量對最終產品的影響。

3 結 論

（1）通過對原礦進行“粗碎-水粹-中碎-細碎-篩分- 磁選- 浮選- 酸浸” 工藝，能有效降低原礦中的雜質，最終可得到SiO2含量為99.99%，雜質元素含量為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，有待于進一步研究。

（3）最終產品與美國砂對比，羥基含量仍然較高，或許是導致下游產品試驗失敗的主要原因，也有可能是堿金屬含量較高，導致產品在成型過程中速度較慢，從而導致下游產品中氣泡含量較高。下一步應對降低堿金屬與羥基含量進行針對性試驗研究。