石英砂提纯与深加工技术工艺

石英的加工和提纯技术是随着现代工业的需要而发展起来的，加工与提纯可以给其带来非常高的附加价值。当今社会对于石英的提纯技术有着精矿质量好、提纯速度快，还要具有较好的环保性及经济效益的更高要求，石英的研究提纯与加工技术对于国家长远发展与新材料、新能源战略具有重大意义。

石英砂是石英石经破碎加工而成的石英颗粒。石英石是一种非金属矿物质，是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物。其主要矿物成分是SiO2 ，石英砂的颜色为乳白色、或无色半透明状，硬度7，性脆无解理，贝壳状断口，油脂光泽，密度为2.65，堆积密度（1-20目为1.6~1.8），20-200目为1.5，其化学、热学和机械性能具有明显的异向性，不溶于酸，微溶于KOH溶液，熔点1750℃。

常用规格有：0.5-1mm、1-2mm、2-4mm、4-8mm、8-16mm、16-32mm、10-20目、20-40目、40-80目、100-120目。

石英砂是重要的工业矿物原料，非化学危险品，广泛用于玻璃、铸造、陶瓷及防火材料、冶炼硅铁、冶金熔剂、冶金、建筑、化工、塑料、橡胶、磨料，滤料等工业。

1、磁选工艺

磁选提纯法是一种通过磁场的作用除去石英矿中具有磁性杂质的提纯工艺，不仅可以除去石英中具有磁性的杂质，还可以将带有磁性杂质的包裹体除去。

由于石英是非磁性物质，不能被磁场所磁化，而石英矿中的磁性杂质是可以被磁场磁化的。利用这一性质上的差异，在磁场中可以使两者分离。

在石英提纯工艺中，磁选法对于除去磁性杂质是非常简单且有效的。按照磁性强弱可将磁选分为强磁磁选和弱磁磁选，弱磁场的磁选可除去磁性较强的杂质矿物，如磁铁矿；强磁场用来磁选磁性较弱的杂质矿物，如赤铁矿、钛铁矿、石榴子石等。

2、浮选工艺

浮选提纯法是利用石英矿物和杂质（主要是长石类硅酸盐矿物）的晶体结构和表面性质的不同，通过各种捕收剂或表面活化剂来调节石英与杂质矿物的表面特性，使得杂质与石英分离的提纯工艺。

按照选择捕收剂的不同，大体上有三种分类：一种是阳离子捕收剂浮选，一种是阴阳离子混合捕收剂浮选，第三种为阴离子捕收剂。最常用的阳离子捕收剂脂肪胺类的捕收剂，特点是受pH的影响较大。最常用的阴离子捕收剂是油酸或油酸纳等，在没有高价金属阳离子活化的情况下，纯石英在油酸纳中完全不浮。两性捕收剂具有多个官能团，有较优异的泡沫性能，可兼具其他两类单一捕收剂的一些优点。

浮选工艺可以受许多因素影响，如浮选的温度、浮选剂的选择、pH值的控制等。在浮选进行之前，石英砂要磨成细小颗粒，使得其中的各类矿物可以被物理分离，将石英进行煅烧水淬可以使浮选的效果更好。

3、煅烧工艺

煅烧工艺是指先将石英进行高温煅烧，然后将石英在高温状态下取出倒入水中进行淬火的一种提纯工艺。

高温煅烧工艺在石英提纯中具有两种作用，一是用于热力辅助粉碎，由于石英硬度很大，属于难磨矿物，在机械粉磨时会非常困难，造成非常大的能耗。若是将石英直接破碎，将会造成过粉碎现象，热力辅助粉碎可以减轻或避免石英过粉碎现象且减少了能耗。

另一优势是有利于石英的后序除杂工艺，在经过煅烧—水淬工序后，石英的内应力发生急剧变化，产生裂纹和破碎，将石英矿内部的包裹体杂质和裂口处的杂质直接在表面露出，使杂质在后续的提纯过程中更容易去除。

4、酸浸工艺

石英晶体中最难以剔除的杂质是直接取代到石英晶格中的杂质。物理分离方法如研磨、筛分、密度分离、磁选等都是无效的，因为杂质在晶格中均匀分布。由于石英不溶于除HF外的其它酸，我们可以通过化学手段，采用酸浸的方法，将石英矿中表面层、裂隙中或结构层间的各类金属杂质溶解，以达到更高的提纯程度。

酸浸工艺通常使用的酸有硫酸、盐酸、草酸、氢氟酸等，由于使用混酸浸渍除杂可以产生协同作用，除杂效果更好，所以通常使用混酸进行酸浸。酸浸分离杂质的反应过程可分为几个部分：有机酸和无机酸提供H+用于后期分离工艺，H+可以溶解伴生矿物（白云母和钠长石），使其与石英分离。氢氟酸是一种特殊的酸，由于它能破坏硅氧键和铝氧键，所以HF可以和白云母和钠长石发生强烈的反应，由有机酸中的羰基和铝硅酸盐杂质中的铝、硅离子组成的络合物可以更快溶解，达到优异的除杂效果。但是HF也能将SiO2溶解，对于除去石英中的包裹体杂质，用HF非常有效，但是HF的用量要适量，以免将更多的石英溶解。

影响酸浸的因素有：酸的选择、酸的浓度及用量、酸溶液的温度及酸浸时间等。此外，搅拌可以使酸液与石英的表面充分地接触，提高酸浸提纯的效果，加速酸浸过程。

5、氯化焙烧提纯工艺

氯化焙烧工艺是去除石英晶格杂质的非常有效的手段。在一定温度和气氛条件下，通入氯化剂使石英中的金属氧化物杂质变为金属氯化物，根据一般金属氯化物沸点较低的特点，可利用其挥发性达到分离杂质的效果。且在氯化焙烧过程中，石英表面与内部存在着化学位梯度，使石英内部的包裹体杂质通过扩散排出，达到更深层次的提纯效果。

常用的氯化剂有Cl2、HCl、NaCl、NH4Cl等，在高温下这些氯化剂的氧化性强于O2的氧化性，可以与Al2O3、Fe2O3、TiO2等金属氧化物发生氯化反应将其除去。

氯化焙烧工艺具有设备简单、除杂效果优异、效率高等优点，是一种提纯能力非常高的石英提纯手段。此外，氯化过程中排出的污染气体可以进行尾气处理，如排出的Cl2就可以通过NaOH尾气处理装置进行处理，对环境的危害较小。

6、湿法冶金技术

通常来说，湿法冶金技术是从金属矿物中浸出和提取金属的一种化学处理方法，但是湿法冶金技术也可以用于从非金属矿石中去除和分离金属矿物，特别是对于含铁矿物是一种十分有效的处理技术。该技术应用于石英的提纯，其传统化学工艺主要包括微生物浸出、高温浸出、高压浸出、催化高温浸出等，随着人们的研究，高温、高压浸出和催化高温、高压浸出为生产高档石英砂和降低酸耗提供了新的途径。

湿法冶金技术中主要是利用酸分离杂质矿物中的石英和贵重金属元素，通过微生物浸出，净化石英砂比简单酸浸法的酸耗和成本更低。高温浸出可以通过加热的手段加速浸出，增大杂质金属元素的浸出率。在高温浸出过程中，通过增加压力可以有效降低酸的消耗。在石英加工中引入了稳定的液体催化剂催化浸出工艺，在不使用氢氟酸的情况下也会降低酸的消耗，提高了石英矿石的提纯效率。

微生物浸出有着低成本、低污染的优点，浸出过程只需在室温下进行，不需要额外的加热装置。经简单处理后的浸出液可以排出。但是微生物浸出的应用受到湿度、温度、pH、耗水量、微生物菌种和浸出方法（倾倒浸出和罐浸）的限制。

高温浸出是最常用的浸出技术之一，这种技术的易操作性及设备便宜是工业生产的重要优势。浸出温度可在20～100℃范围内，在花费成本较低的情况，极大地提高了浸出速度和速率。高温浸出工艺最主要的阻碍因素是酸的消耗和污染，由于提纯过程中杂质的溶解，酸性物质不可避免地会大量消耗。

高温、高压浸出比单纯的高温浸出有更好的提纯效果，而且可以大幅度提高提纯的速度。但是这一过程会使设备处于积累氟化物的环境中，会严重腐蚀设备，缩短设备的使用寿命。催化高温、高压浸出的主要优点是不使用氟化物，组分简单、消耗低、浸出剂可重复利用，对环境十分友好且有着非常好的提纯效果。

来源：庞庆乐,沈建兴,程传兵,等.高纯石英的加工技术及应用[J].江苏陶瓷,2020,53(04):43-47.