石英砂的提純與檢測技術

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)，這些領域對石英砂的需求量大，但對原料質量要求低。對于一些優(yōu)質石英砂而言，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（雜質總質量分數(shù)小于8×10-6，透明度為光學級）。

隨著科學技術的進步，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，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。近年來，國內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，鐵質和鋁制等雜質礦物的品位則正好相反，這種現(xiàn)象在含有大量粘土性質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處理方法，應用的較早且普遍，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、粘結及泥性雜質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構特點和配置形式，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)品質量要求為基準，不宜過長，因時間過長，會加大設備磨損，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的赤鐵礦、褐鐵礦和黑云母等弱磁性雜質礦物。強磁選通常采用濕式強磁選機或高梯度磁選機。

一般而言，對雜質以褐鐵礦、赤鐵礦、黑云母等弱磁性雜質礦物為主的石英砂，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：當石英砂原砂中含雜質礦物較多時，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。 

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中，利用石英、長石結構組成的差異，合理調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)物料光學特性的差異，利用光電探測技術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礦物均有良好的去除效果，但對不同的金屬雜質，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。

據(jù)國外研究結果表明，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礦物在電性上微小的差別，可選出微量金屬雜質礦物；熱氯化方法可除去石英中的氣、液相雜質和雜質礦物、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：

石英砂技術指標：

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

姓名：陳健

職稱：中國科學院合肥物質科學研究院應用技術研究所研究員

專業(yè)：材料物理與化學

主要從事新材料的理論研究與制備和應用技術開發(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的研究，證明了動力學因素是控制提純效率的一個關鍵參數(shù)，在該理論的指導下，通過研究提純時的溫度場，熔體流場，電磁場以及雜質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，關鍵雜質元素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三元體系熱力學提純效率理論極限，為太陽級硅料生產(chǎn)核心技術的突破打下了堅實基礎。

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，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的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，該技術在加拿大獲得多個獎項和北美主流媒體的廣泛關注和報導。

開發(fā)的熱處理技術能夠減小Al-Mg合金的時效軟化效應，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)術巡航導彈飛行姿態(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。  

目前作為負責人承擔中科院百人計劃，國家自然科學基金等研究項目。