石英砾石碱溶蚀法研制高纯石英砂

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[ 3~ 4]
。再用硫酸溶液浸洗石英砂 , 使硫酸和硅酸钠、 铝
酸钠反应生成可溶于水的硫酸盐 (式 2 、 3) , 同时铁、 铜等金属元素也和硫酸反应生成可溶于 水的硫酸盐而被纯净水洗除 (表 5) 。其化学反应过程如下 : K { A l2 [ A lS i3 O10] ( OH ) 2 } + 9N aOH # KOH + 3N a2 S i O3 + 3NaA lO2 + 5H 2 O N a2 S i O3 + H 2 SO 4 # NaSO 4 + S i O2 + H 2 O 2N aA lO2 + 4 H 2 SO 4 # NaSO4 + A l2 ( SO 4 ) 3 + 4 H 2O ( 1) ( 2) ( 3)
表 4 石英砂浮选结果对比 ( ! 10- 2 ) T able 4 T he resu lts contrast of quartz sand before and after floata tion
Si O2 浮选前 浮选后 99 . 74 99 . 89 1 A l2 O 3 0 . 12 0 . 005 Fe2 O 3 0 . 004 0 . 002 Si O2 99. 48 99. 86 2 A l2 O 3 0. 14 0. 006 Fe2 O 3 0 . 004 0 . 002 S iO2 99 . 50 99 . 87 3 A l2 O3 0. 13 0 . 006 Fe2 O3 0. 004 0. 002
表 3 F e2 O3 含量选择性磨矿效果对比 ( ! 10- 2 ) T ab le 3 The F e2 O3 contents contrast be fo re and a fter se lected m illing
牛山 磨矿前 磨矿后 0. 100 0. 006 桃林 0 . 035 0 . 005 城头 0 . 108 0 . 006 横沟 0 . 184 0 . 007 石凉 0. 232 0. 007 白塔 0. 213 0. 006 安峰 0 . 090 0 . 004 石榴 0 . 070 0 . 004 石湖 0 . 110 0 . 005 洪庄 0 . 040 0 . 004 双店 0. 086 0. 006
与其中铝、 铁等杂质分离而清除。
T Leabharlann Baidub le 1 The i m pur ity content of quar tz sand for electric qua rtz tube o f IOTA standard( ! 10- 6 )
Al 15 Ge 0. 6 Fe 0 . 3 Mg 0 . 1 Ca 0 . 4 Mn < 0 . 08
2 试验研究流程与试验结果
288 2 . 1 选择性研磨







2006 年
石英砾石表面通常呈浅黄 ∀ 黄褐色, 砾石裂隙中充填铁质黏土。东海石英生产厂选用 其中部分砾石作为熔炼石英的原料, 其处理砾石表面杂质的方法是用盐酸和氢氟酸的混合 液进行浸泡 , 洗除表面的铁染物。此方法的缺点是大量的废酸排放造成环境污染。 石英砾石表面铁质污染物及裂隙中充填物的硬度远小于石英, 采用选择性磨矿可将其 剔除。试验中将砾石碎至 5 c m 以下 , 在直径 30~ 50 c m 的橡胶圆桶磨矿机中带水自磨 10~ 12 h, 筛除 1 . 5 cm 以下碎粒后 , 放到光选机上去除不透明和内部有暗黑斑点的碎块。分选 后的砾石碎块表面光洁, 稍有磨圆, 铁杂质含量大大降低 ( 表 3)。
表 5 石英砂制品杂质元素含量 ( ! 10- 6 ) T ab le 5 The i m purity contents in quartz sand products
Al 3. 66 Ge 0. 24 Fe 1 . 89 Mg 0 . 16 Ca 3 . 92 Mn 0 . 92 Na 1 . 92 Ni 0 . 039 K 0. 96 P < 0. 05 Ti 0. 90 Sr 0. 055 Li 0 . 35 B < 0 . 001 Co < 0 . 001 V < 0 . 001 Cr 0. 14 Zn < 0 . 001 Cu 0. 005 Zr < 0. 001
2 . 3 碱溶蚀 浮选后的石英砂中铝、 铁杂质仍高于电光源石英管用石英砂杂质含量要求。显微镜检 查发现石英砂边缘附着微粒白云母碎片。根据白云母可以被碱溶剂溶蚀的特征 , 采用氢氧 化钠溶液加温浸泡石英砂 , 使石英砂边缘的微粒白云母碎片与碱反应分解 ( 式 1)。反应的 生成物主要是微量的硅酸钠和铝酸钠
2 . 2 浮选 石英硬度大 , 粉碎困难。东海企业在生产中利用石英晶型转换伴随体积剧烈变化的特 性 , 采取 900~ 950 煅烧后水淬的方法使其结构松散, 便于粉碎加工。经选择性磨矿分选 获得的砾石碎块煅烧水淬后 , 用对辊粉碎机粉碎后分级, 采用中性 MD 系列捕收剂进行浮 选 , 去除云母及铁质矿物。浮选后石英砂的纯度提高, 杂质降低 (表 4) 。
注 : IOTA 为西方最大的石英原料制造商尤尼明公司 , 其注册商标为 I O TA.
东海县内石英砾石资源量巨大 ( 3 ! 10 分及化学成分较复杂的地质体。
-8
t), 一般呈层状分布 , 俗称 "石棚 ", 埋深 0 . 2~
3 . 5 m, 厚 2~ 3 m 不等 , 分布广 , 埋藏浅。只是不同品质的石英碎块混杂在一起, 形成矿物成
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高不能作为电光源石英管原料 , 其经济价值也受到影响。该成果的推广应用不但解决电光 源石英管的石英砂材料来源, 也将极大的提高了东海县石英砾石资源潜在经济价值。同时 该方案主要以物理方法去杂提纯, 对环境的污染也降到最低 , 有利于可持续发展。
摘要 : 本文研究了石英砾石中铝、 铁等杂质 分布特征 , 讨论了选 择性研磨、 碱溶蚀等 方法对 石英砾石中铝等杂质的分离清除作用 , 提高了石 英砂的品 质 , 使得东 海丰富的 石英砾石 可应用 于电光源石英玻璃管的生产。 关键词 : 石英 ; ; 电光源 ; 碱溶蚀 ; 浮选; 江苏 中图分类号 : TD 873 . 3 文献标识码 : A
中国石英玻璃工业是上世纪 60 年发展起来的新材料工业。石英玻璃具有一系列优良 的物理化学性能 : 它能耐高温, 使用温度比普通玻璃高 800 , 高达 1 100~ 1 200 , 是透明 的耐火材料。它的热膨胀系数特别小 , 仅为 5 . 5 ! 10
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/ , 相当于普通玻璃的二十分之一。
因为热膨胀系数小, 所以其热稳定性特别好, 3 mm 厚的石英管将其加热到 1 100 急速投人 冷水中也不会炸裂, 用它做电光源灯泡壳时, 表面温度高达 800 , 下雨、 下雪落到灯表面上 也不会炸裂。它具有极佳的透光性能 , 紫外线、 可见光、 红外线都有良好的透过率 , 所以可以 用它制造各种萦光灯、 强光照明灯和红外加热器。它的电绝缘性能特别好, 20 时电阻率为 10
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RESOURCES SURVEY & ENV I RONM ENT
V o.l 27 N o . 4
文章编号 : 1671 4814 ( 2006) 04 286 04
石英砾石碱溶蚀法研制高纯石英砂
刘闯 , 邱永泉 , 杜建中 , 黄春雨
1 1 2 2
( 1 南京地质矿产研究所, 江苏南京 210016) ( 2 江苏省石英材料工程技术研究中心 , 江苏连云港 222314)
1 石英砾石的组分特征
1 . 1 石英砾石物理特征 砾石多呈椭圆状 , 大小不等 , 大者 10 ! 10 ! 20 c m, 一般 5 ! 5 ! 10 c m。表面通常被铁染 呈浅黄 - 黄褐色。砾石裂隙中充填铁质黏土。本次主要挑选矿物结晶好, 断口粗糙; 新鲜断 面呈无色透明 - 浅乳白色的石英砾石进行研究。 1 . 2 矿物组成特征 所研究石英砾石主要由石英矿物组成 ( 99 % ), 石英呈无色透明 ∀ 浅乳白色, 镶嵌结构 , 块状构造。全 晶质 , 粒径 一般小 于 2 mm。粒间充 填细小 白云母 和黄铁 矿。白 云母 ( < 0 . 5 % ) 白色, 片状 , 长 0 . 1~ 2 mm、 宽< 0 . 5 mm; 黄铁矿 ( < 0 . 5 % ) 粒状 , 粒径小于 0 . 5 mm, 黄色, 风化后呈褐色。 1 . 3 化学成分特征 东海县的石英砾石品质优良 , S i O 2 含量大于 99 % , F e2 O3 普遍小于 0 . 2 % 。安峰、 洪庄 等地石英砾石 S i O2 含量接近 99 . 9 % (表 2) 。
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以上的高纯石英砂, 方可解天然水晶原料的急需。因此去除石英砂中杂质扩大石英材料资 源则成当务之急 , 是一个具有巨大社会效益和经济效益的课题。在江苏省科学技术厅的组 织下国土资源部南京地质矿产研究所和江苏省石英材料工程技术研究中心合作进行了专题 研究, 获得初步进展。 电光源玻璃管用原料石英砂质量要求严格 ( 表 1), 天然的石英砂往往很难符合要求。 因此去除石英砂中杂质提高石英砂的纯度则是开发利用的关键。尽管生产石英玻璃管用石 英砂的方法很多
[ 1]
。国内现有近 50台电光源石英连熔炉 , 每年需 800 t一至三级天然水晶料。
因此寻求二级以上水晶代用品成为石英玻璃工业发展的当务之急。目前国内每年需 300 t
收稿日期 : 2006 07 28 第一作者简介: 刘闯 ( 1951 ~ ), 男 , 教授级高级工程师 , 从事地质矿产研究和勘查开发工作。
表 2 石英砾石 S i O2 和 Fe2 O3 含量 ( ! 10- 2 ) T ab le 2 The SiO2 and F e2 O3 co m pos ition o f quartz sand
牛山 Si O2 Fe2 O3 99 . 28 0. 100 桃林 99 . 12 0 . 035 城头 99 . 28 0 . 108 横沟 99. 34 0 . 184 石凉 98. 82 0. 232 白塔 97. 26 0. 213 安峰 99 . 74 0 . 090 石榴 99 . 48 0 . 070 石湖 99 . 00 0 . 110 洪庄 99. 50 0 . 040 双店 99. 06 0. 086
3 结果与讨论
石英砾石原料 ( S i O 2含量 97 . 26 % ~ 99 . 74 % ) 经选择性磨矿、 光选、 浮选和碱溶蚀四道 工序处理后 S i O 2含量大于 99 . 99 % , 其杂质含量均远低于电光源石英管用石英砂杂质含量 应用标准 (参见表 1 和表 5) , 达到了实验研究的目的。东海县石英砾石资源丰富, 因质量不
18
cm, 350 时为 7 ! 10
- 6
8
cm, 绝缘强度 20 时为 250 kV / c m。它的电真空性能也 很
好 , 真空度可达 10 帕。它的化学稳定性很好 , 除氢氟酸外, 盐酸、 硫酸、 硝酸及王水对它几 乎没有腐蚀作用。因为优良性能, 所以被广泛应用于半导体单晶硅制造 , 照明用新型电光源 制造, 集成电路制造, 光通信的光纤制造 , 钢铁工业的连铸新技术 , 化学工业的提纯耐酸材 料 , 家电的红外加热器制造、 紫外杀菌灯制造以及各工业部门的热工材料和电工材料。 石英玻璃工作者研究成功了连熔炉制造石英管, 质量大大提高, 价格成倍下降、 促进了 电光源工业的发展, 为此在连云港地区东海县组建了 20 多个连熔拉管厂。 1993 年连熔管 每 kg 110 元, 到 2005 年已降到每 kg 18~ 20 元, 比国外石英玻璃低数倍。东海地区优质硅 石是目前生产石英玻璃的主要原料来源, 但是生产金卤灯用低羟基原料较少 , 而且不稳定 , 原料纯度低
[ 2]
, 但效果不太理想。本课题研究成果的技术关键是用碱溶蚀法, 使石英
表1 I OTA 标准电光源石英管用石英砂杂质含量 ( ! 10- 6 )
Na . 0 .9 Ni < 0 . 05 K 0. 7 P 0. 2 Ti 1. 4 Sr <0 . 3 Li 0 . 7 B < 0 . 08 Co < 0 . 0005 V < 0 . 02 Cr < 0. 05 Zn < 0. 05 Cu < 0. 05 Zr 0. 4
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