国内高纯石英砂选矿与深加工研究现状

国内高纯石英砂选矿与深加工研究现状

范培强1,2,3谢贤1,2,3宋强1,2,3柏帆1,2,3杜云鹏1,2,3

（1省部共建复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室，云南昆明，650093

2昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明，650093

3云南省金属矿尾矿资源二次利用工程研究中心，云南昆明，650093)

摘要：高纯石英砂是高档石英制品的原材料，是硅产业高端产品的物质基础，其广泛运用于光伏、电子信息、电光源和光通讯等行业，在新材料新能源等战略性新兴产业中具有重要地位和作用。本文阐述了近几年国内高纯石英砂的应用现状及主要的提纯石英砂的选矿工艺，综合评述了深加工领域中石英砂向高纯度、低结晶度、低放射性、球形化等方向发展的趋势，阐明了石英砂提纯及深加工技术对科技发展的重要性。关键词：石英砂；预处理；联合工艺流程；深加工

作者简介：范培强（1992-），男，昆明理工大学硕士研究生

石英砂属于非金属矿物，主要成分为二氧化硅，颜色为乳白色或呈无色半透明状，集合体常呈粒状、致密块状、晶簇状或者是隐晶质的钟乳状等[1]。在地壳中占造岩氧化物的60%左右，因此矿物储量非常丰富，广泛分布于世界各地。国内沿海地区储量丰富,岩石种类主要有石英岩、石英砂岩、石英片岩及脉石石英等[2]。内陆地区的甘肃、内蒙一带为石英岩矿床，资源优质；广西、福建一带为石英砂岩矿床；安徽省凤阳是我国最大的石英岩带基地，石英砂储量达100亿吨。普通的石英砂主要用在建筑行业上，此外石英砂还被广泛应用于铸造、橡胶、玻璃、陶瓷、耐火材料、冶金、化工、磨料、塑料等各个领域[3]。而随着石英砂的纯度的提高，其价值也不断提高，尤其是在高科技领域中，对石英砂的纯度要求极高[4]。

1.高纯石英砂应用现状

高纯石英砂是指SiO2含量高于99.9%的石英砂，其化学性质稳定，除HF外，不溶于其他酸，微溶于KOH溶液。我国石英砂杂质种类多、赋存状态复杂且分布各异，提纯石英砂较为困难。最早生产高纯石英砂的原料为天然水晶，但随着天然水晶资源的逐渐枯竭，从普通的石英砂提取高纯度的石英已成必然趋势。高纯石英砂在高科技工业上具有广泛的应用。在半导体行业中，可由熔融的石英制成高温热性能优异的晶片，用来制造高温热稳定性良好的高新能热管；在通讯产业中，用石英砂生产的石英玻璃是光纤和其他光电装置的基本材料。此外其还可以用于生产硅树脂、太阳能电池基片，在磨料、填料、涂料及硅橡胶等产业中的需求更大,国内高纯石英砂的产量不能满足市场的需求。因此提高选别提纯的技术工

艺，更加广泛地利用普通石英砂才是解决问题的关键所在[5]。

2.预处理

对石英砂的质量要求主要体现在对化学成份和粒度组成的要求上。化学成份要求为13项金属元素的杂质含量不超过50ppm,即：∑(Al、Fe、Li、Ca、Mg、K、Na、Ti、Cu、Mn、Co、Ni、B)≤50 ppm;粒度要求为：+0.5 mm=0;0.5～0.3 mm≤1.0%，0.3～0.074 mm≥98.0%，- 0.074 mm≤1.0%。此外还有气液杂质含量的要求，以[OH-]表征的高温环境下放出的气体含量应≤15ppm。工业生产中，通常先将普通石英砂进行预处理，然后提纯为高纯石英砂。近几年来，石英砂提纯的研究主要围绕物理、化学和生物提纯三大类。

2.1物理方法

物理方法主要是通过水洗-分级脱泥、擦洗、磁选和浮选等方法除去石英砂中的杂质，也可以联合几种工艺进一步除杂[6]。

2.1.1水洗-分级脱泥和擦洗

在石英砂选矿流程中，通常把粒度小于0.1mm的细粒级称为矿泥。针对还有大量黏土及矿泥的石英砂，随着粒度的变细，二氧化硅的品位逐渐降低，而铁、铝等杂质反而上升。采用水洗-分级脱泥方法可有效提高其品位。房广华等[7]对江苏宿迁马鞍山石英砂采用FLG 型螺旋分级机，经水洗-分级脱泥后石英砂中铁含量降至0.49%，铝含量降至6.79%。

对于石英砂表面的薄膜铁和粘连性的杂质，水洗-分级脱泥的效果较差，这就需要借助机械力和砂粒之间的磨剥力来去除适应砂表面的薄膜铁及粘连性杂质，在经过分级脱泥就可以实现较好的除杂效果。总结前人经验，棒磨擦洗的效果最为理想，一般擦洗浓度在50%到60%之间，擦洗时间应根据矿石的性质来确定，以初步达到产品质量要求，时间不宜过长，以避免能耗过多及对设备的过大磨损。牛福生等[8]对云南某地SiO2含量95%-97%的石英矿采用加药高效强力棒摩擦洗-分级脱泥工艺流程，可得到SiO2≥99.81%的精砂产品。

此外，有研究者在擦洗的过程中通过添加助擦剂来提高除杂的效率。助擦剂能够改变矿物颗粒的粒度组成，还可以增强擦洗机对矿物颗粒的碎散作用。牛福生等[9]使用主要成分为水玻璃的助擦剂，以石英-褐铁矿为研究对象。研究表明：水玻璃在石英-褐铁矿体系中发生了化学和特性吸附，降低了矿物颗粒表面能，提高了颗粒之间的电斥力，产生了对细粒之间的分散和颗粒的分裂作用，从而起到了助擦洗的作用。

2.1.2重选、磁选和浮选

重选是利用矿物颗粒间相对密度、粒度、形状的差异及其在水、空气或重液中运动速率和方向的不同，使不同矿物分离的选矿方法。对于石英砂矿来说，常采用螺旋选矿机、溜

槽、摇床等重选设备。豆中磊[10]等对海南某石英砂进行了研究，将擦洗后的石英砂经摇床分选后，SiO2≥的含量由99.3%提高到99.75%，但精矿产率相对较低。

磁选法可以最大限度的除去石英砂颗粒内含有的赤铁矿、褐铁矿及黑云母等为主的弱磁性杂质和以磁铁矿为主的强磁性矿物，对于弱磁性杂质矿物常用10000Oe以上的强磁机，对于强磁性杂质的矿物常用弱磁机或者中磁机。李宇宏等[11]对江西某含铁量0.012%的石英砂进行了除铁研究，采用SLon(1.8T)立环脉动磁选机，最终使铁的含量降至0.0077%。赵洪力等[12]针对某含铁量为0.093%的石英砂岩，选用高梯度磁选机，铁的杂质降至0.036%。

对于一些赋存在铁矿物颗粒中或赋存于黑云母、石榴石及角闪石等矿物颗粒中的铁杂质，以及赋存于长石中的铝，最有效的去除方法是浮选法。目前浮选主要采用酸性条件，根据所使用的药剂不同可分为有氟浮选和无氟浮选，还有一些是在碱性条件下进行的浮选，但从工业生产来看，有氟浮选仍是最主要的浮选方法，其优势是提纯效果较好，技术成熟，但对设备的腐蚀作用较大，环境污染较为严重。英国不列颠工业硅砂公司选矿厂采用氢氟酸浮选方法最终获得了SiO2含量99.5%，Fe2O3含量0.007%，Al2O3含量0.1%的石英砂[13]。

2.2化学方法

提纯石英砂的化学方法主要为酸浸法或碱浸法，因其浸出效率高也是最常用的。相对于物理方法，化学法的成本要高，但是提纯效果要好，特别是对石英砂纯度要求较高的情况下，化学提纯更有效。酸浸中常用的酸有硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸等。稀酸对铁、铝、镁等杂质去除效果好，而浓的硫酸、氢氟酸对钛、铬杂质去除效果好，因此在实际选矿中，混合使用酸对石英砂的提纯效果最佳。而碱浸法主要是利用氢氧化钠或碳酸钠等碱性溶液溶解含铝硅酸盐杂质，从而达到提纯的目的。

汪本高等[14]人对四川金口河石英砂做了提纯试验研究，将样品粉碎研磨至200目，水洗将比重小于水的杂质除去；酸浸采用质量分数为10%的盐酸，在温度45℃，酸浸时间为5h的条件下，石英砂的SiO2质量分数提高到99.66%，对铁杂质的去除作用明显，由原矿的0.2441%降至71×10-6。朱平华等[15]对某地普通硅质原料精制提纯，先经过破碎分选，又经HF-HCl混合液酸洗过后，最终获得SiO2含量为98.47%的精制石英砂，其铁、铝的杂质含量分别降至0.019%和0.184%。吴逍等[16]经过磁选、浮选、酸浸工艺提纯，细粒级石英精砂Si O2纯度为99.91%,该石英矿可作为高纯石英砂原料。

2.3其他方法

超声波除铁法。天然石英砂的颗粒表面容易受到含铁杂质的溶液污染，在表面形成铁质薄膜，造成天然石英砂含铁过高，难以除去的问题。超声波是一种高频率震动，一般频率≥20KHz，当其在溶液中发出时，将会产生很多的压缩、膨胀区域，形成和破裂无数微气泡，