一、前言

石英砂又稱硅砂，是一種常見的非金屬礦物原料，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。我國(guó)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(lǐng)域的一個(gè)共同點(diǎn)就是石英砂的需求量大，原料質(zhì)量要求低。對(duì)于我國(guó)一些產(chǎn)地的優(yōu)質(zhì)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(guó)外以美國(guó)的石英砂選礦提純技術(shù)最為先進(jìn)，特點(diǎn)是工業(yè)化產(chǎn)量大、裝備專業(yè)化和生產(chǎn)自動(dòng)化程度高，其產(chǎn)品已發(fā)展到第六代（雜質(zhì)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于8×10-6，透明度為光學(xué)級(jí)）。經(jīng)過選礦提純制成的高純和超高純石英砂已廣泛應(yīng)用于航空航天、原子能技術(shù)、激光、光纜通訊、軍工等高科技領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高科技用硅的需求量也將大量增加，而天然水晶資源的日趨枯竭使得人們不得不將目光轉(zhuǎn)向天然水晶的替代品—高純和超高純石英砂上。因此，積極探求和推動(dòng)石英砂選礦提純技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)精制石英砂、高純和超高純石英砂的成本、大批量工業(yè)化生產(chǎn)、對(duì)彌補(bǔ)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(shí)意義。

二、石英砂選礦提純方法

石英砂提純是除去石英砂中少量或微量雜質(zhì)，獲得精制石英砂或高純石英砂（如電子級(jí)產(chǎn)品）的高難度分離技術(shù)，近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)石英砂提純工藝研究主要圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行：

（一）水洗、分級(jí)脫泥

石英砂中的SiO2的品位隨著石英砂粒度的變細(xì)而降低，鐵質(zhì)和鋁制等雜志礦物的品位則正好相反，這種現(xiàn)象在含有大量粘土性質(zhì)礦物石英砂中尤為明顯。所以在入選前對(duì)石英砂原礦進(jìn)行水選，分級(jí)脫泥是非常必要的，而且效果也是較為明顯的。如江蘇宿遷馬陵山礦石英砂原礦化學(xué)組成為：SiO279.38%、Fe2O3 1.68%、AL2O311.28%，其粒度組成中-0.1mm粒級(jí)含量為27.65%。在對(duì)原礦進(jìn)行預(yù)選水洗、分級(jí)脫泥后，SiO2的品位上升到86.36%，F(xiàn)e2O3降低至0.49%，AL2O3降低至6.79%，除雜提純效果較為顯著。水洗、分級(jí)脫泥作為一種礦石入選前的預(yù)處理方法，應(yīng)用的較早也很普遍，但對(duì)于存在于石英砂表面的薄膜鐵和粘連性雜質(zhì)礦物，其脫除效果尚不顯著。

（二）擦洗

擦洗是借助機(jī)械力和砂粒間的磨剝力來除去石英砂表面的薄膜鐵、粘結(jié)及泥性雜質(zhì)礦物和進(jìn)一步擦碎未成單體的礦物集合體，再經(jīng)分級(jí)作業(yè)達(dá)到石英砂進(jìn)一步提純的效果，目前，主要有棒摩擦洗和機(jī)械擦洗兩種方法，對(duì)于機(jī)械擦洗，一般認(rèn)為影響擦洗效果的因素主要是來自擦洗機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和配置形式，其次為工藝因素，包括擦洗時(shí)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(shí)間原則上以初步達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求為基準(zhǔn)，不宜過長(zhǎng)，因時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)加大設(shè)備磨損，提高能耗和造成選礦提純成本的增加。由于對(duì)于某些石英砂礦，機(jī)械擦洗擦除效果不太理想，因此，在我國(guó)棒磨擦洗工業(yè)應(yīng)用較為普遍和相對(duì)成熟。如對(duì)某地石英砂原礦經(jīng)水洗、分級(jí)脫泥后+0.3mm以上的石英砂進(jìn)行棒磨擦洗，結(jié)果表明，經(jīng)磨礦擦洗后，F(xiàn)e2O3從0.19%降低到0.10%，鐵的去除率達(dá)47.4%。我們?cè)趯?duì)云南某地石英砂礦采用加藥高效強(qiáng)力擦洗，配合適當(dāng)?shù)墓に嚭驮O(shè)備，結(jié)果發(fā)現(xiàn)比采用棒磨擦洗效果好，棒磨擦洗后收率為49%，而加藥高效強(qiáng)力擦洗回收率為73%。加藥的目的是增大雜質(zhì)礦物和石英顆粒表面的電斥力，增強(qiáng)雜質(zhì)礦物與石英顆粒相互間的分離效果。

（三）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(nèi)的赤鐵礦、褐鐵礦和黑云母等弱磁性雜質(zhì)礦物。強(qiáng)磁選通常采用濕式強(qiáng)磁選機(jī)或高梯度磁選機(jī)。一般而言，對(duì)雜質(zhì)以褐鐵礦、赤鐵礦、黑云母等弱磁性雜質(zhì)礦物為主的石英砂，利用濕式強(qiáng)磁機(jī)在10000奧斯特以上可以選出；對(duì)含雜以磁鐵礦為主的強(qiáng)磁性礦物，則采用弱磁機(jī)對(duì)或中磁機(jī)進(jìn)行選別效果比較好，上村宏﹒田淵平次采用強(qiáng)磁機(jī)對(duì)瀨戶石英砂進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)條件研究，結(jié)果表明，磁選數(shù)和磁場(chǎng)強(qiáng)度選除鐵效果有重要影響，隨磁選次數(shù)的增加，含鐵量逐漸減少，而一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度下可除去大部分的鐵質(zhì)，但此后磁場(chǎng)強(qiáng)度即使提高很多，除鐵率也無多大變化。另外，石英砂粒度越細(xì)，除鐵效果越好，其原因是細(xì)粒石英砂中含鐵雜質(zhì)礦物量高的緣故。當(dāng)石英砂原砂中含雜質(zhì)礦物較多時(shí)，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(jìn)一步提高石英砂的純度和降除雜質(zhì)

（四）浮選

考慮到含氟廢水對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重影響，國(guó)外于70年代出現(xiàn)了“無氟有酸浮洗法”如日本在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)石與石英的分離中，采用硫酸或鹽酸（PH=2）調(diào)漿，加高級(jí)脂肪族胺鹽和石油磺酸鈉混合捕收劑浮選獲得成功，無氟無酸浮選法是近年來大力開發(fā)的石英長(zhǎng)石浮選分離新工藝，唐甲瑩等從1984年開始研究陰陽離子混合捕收劑浮選分離新工藝，該方法是在自然中性介質(zhì)中，利用石英、長(zhǎng)石結(jié)構(gòu)組成的差異，合理調(diào)配陰陽離子捕收劑的配比，優(yōu)先浮選出長(zhǎng)石，實(shí)現(xiàn)二者的分離。但無氟無酸浮選法不如HF法和酸法成熟，目前尚未見到工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用的報(bào)道，云母與石英的等電點(diǎn)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(dá)到99.3%-99.9%，基本上滿足工業(yè)用砂的需求。

（五）酸浸

酸浸是利用石英不溶于酸（HF除外），其他雜質(zhì)礦物能被酸液溶解的特點(diǎn)，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石英的進(jìn)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(duì)石英中的非金屬雜質(zhì)礦物均有良好的去除效果，但對(duì)不同的金屬雜質(zhì)，酸的種類及其濃度影響較為顯著，一般認(rèn)為各種稀酸對(duì)Fe和Al的去除均有顯著效果，而對(duì)Ti和Cr的去除效果則采用較濃的硫酸、王水或HF進(jìn)行酸浸處理。通常使用上述酸類組成的混合酸進(jìn)行雜質(zhì)礦物的酸浸脫除，考慮到HF對(duì)石英的溶解作用，故HF濃度一般不超過10%。除酸的濃度外，酸的用量、酸浸時(shí)間、溫度及礦漿攪拌均可以影響石英酸浸效果。酸浸各種因素的控制應(yīng)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(shí)間，以實(shí)現(xiàn)在較低的選礦成本下進(jìn)行石英提純。在一些歐美國(guó)家由于對(duì)石英中鐵的要求比較嚴(yán)格，故比較系統(tǒng)的研究了石英酸浸提純處理，并建立了酸浸的石英選礦提純廠。經(jīng)過酸浸處理后的石英砂，可獲得純度達(dá)99.99%的高純石英砂、

（六）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(shù)，據(jù)國(guó)外研究結(jié)果表明，用黑曲霉素、青霉、假單胞菌、多粘菌素、桿菌等微生物對(duì)石英表面薄膜鐵進(jìn)行浸除時(shí)，均取得了良好的效果，其中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(dá)0.007%。并且，發(fā)現(xiàn)用大多細(xì)菌和霉菌預(yù)先栽培好的培養(yǎng)液浸出鐵的效果更好，就像其他菌種一樣是由于他們的可溶性代謝物的作用。目前微生物除鐵處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，規(guī)?；I(yè)的生產(chǎn)尚需作進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

（七）其他提純方法

 由于不同石英砂制品對(duì)雜質(zhì)礦物含量的不同要求，有時(shí)也采用一些其他的提純方法作進(jìn)一步提純?nèi)珉娺x利用石英與雜質(zhì)礦物在電性上微小的差別，可選出微量金屬雜質(zhì)礦物；熱氯化方法可除去石英中的氣、液相雜質(zhì)和雜質(zhì)礦物、金屬包裹體對(duì)工藝過程中的表面污染，達(dá)到對(duì)石英砂進(jìn)一步提純。

三、石英砂選礦提純工藝流程研究

石英砂選礦提純工藝流程很多，一般視石英砂中雜質(zhì)的種類、含量、賦存狀態(tài)以及產(chǎn)品質(zhì)量要求等確定，常見的石英砂選礦提純工藝流程如下:

（一）擦洗---分級(jí)、脫泥

石英砂在風(fēng)化沉積成礦過程中，大量粘土性礦物和鐵質(zhì)在石英表面形成膠結(jié)物或粘連礦物。采用擦洗---分級(jí)、脫泥工藝去除粘土雜質(zhì)礦物、泥質(zhì)鐵及部分薄膜鐵則是這類石英砂提純常用的工藝流程。如四川江津石英砂巖礦采用該工藝降除-0.1mm細(xì)泥和鐵質(zhì)，使得二氧化硅從85.4%提高到97.4%，三氧化二鐵由原來的0.63%降低到0.165%。該工藝一般作為原砂入選前的預(yù)處理工藝，對(duì)泥質(zhì)性雜質(zhì)礦物進(jìn)行有效脫除。

（二）擦洗—脫泥—磁選

一般而言，石英砂常見雜質(zhì)礦物，如褐鐵礦、電氣石、赤鐵礦和黑云母等弱磁性礦機(jī)磁鐵礦等強(qiáng)磁性礦只有采用磁選工藝才可降除、實(shí)際生產(chǎn)中，多采用濕式強(qiáng)磁機(jī)進(jìn)行選別，磁場(chǎng)強(qiáng)度約在13000奧斯特左右。某地湖湘沉積硅砂在經(jīng)擦洗脫泥后，砂中含三氧化二鐵為0.36%，利用SHP-500型濕式強(qiáng)磁機(jī)對(duì)上述擦洗脫泥砂進(jìn)行提純，可以獲得三氧化二鐵含量為0.16%。

（三）棒磨擦洗—脫泥---磁選—浮選---酸浸

石英砂原礦在經(jīng)擦洗、磁選和浮選分離后，賦存較低的雜質(zhì)礦物顆粒（包括單體、集合體）已基本上被清除干凈，二氧化硅純度一般可以達(dá)到99.5%-99.9%，基本上可以滿足石英砂大多數(shù)工業(yè)用途。但要求進(jìn)一步作為超高純石英砂，就必須對(duì)以斑點(diǎn)和包裹體形式連生在石英顆粒表面上的雜質(zhì)做酸浸處理，根據(jù)其不同的工業(yè)用途對(duì)石英砂不同雜質(zhì)礦物（Fe、AL、Ti、Cr）的要求，進(jìn)行不同濃度、配比的混合酸酸浸處理，如蘄春某石英巖礦的二氧化硅含量為99.76%，含細(xì)小包裹體，主要雜質(zhì)礦物Fe、AL、Ti等以粘土礦物和鐵的氧化物形態(tài)存在。在經(jīng)過棒磨擦洗—脫泥---磁選---浮選---酸浸工藝后，獲得二氧化硅含量為99.99%以上的高純石英砂。

（四）加藥高效強(qiáng)力擦洗—分級(jí)脫泥---磁選

通過對(duì)云南某石英砂巖礦提純做了詳細(xì)深入的實(shí)驗(yàn)研究之后，我們首先創(chuàng)造性的使用加藥高效強(qiáng)力擦洗—分級(jí)脫泥—磁選這一新的提純工藝，并獲得成功。該工藝是對(duì)現(xiàn)有擦洗設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)化了技術(shù)參數(shù)，通過加藥高效強(qiáng)力擦洗和分級(jí)脫泥可除去80%以上的雜質(zhì)鐵和鋁礦，磁選主要是除去含鐵雜質(zhì)礦物。通過該流程處理后，可獲得二氧化硅≥99.8%，三氧化二鐵≤0.023%，三氧化二鋁≤0.05%，二氧化鈦≤0.02%的優(yōu)質(zhì)精制石英砂，達(dá)到了一級(jí)光學(xué)玻璃用砂的要求，并且精砂的產(chǎn)率高達(dá)73%，而棒磨擦洗產(chǎn)率僅為49%，二氧化硅回收率為72.8%。再進(jìn)行進(jìn)一步的復(fù)選和酸浸處理，能獲得二氧化硅≥99.9%，三氧化二鐵≤0.005%，三氧化二鋁≤0.05%，二氧化鈦≤0.02%的高純石英砂，這一工藝的采用，克服了棒磨擦洗帶來的鐵質(zhì)二次污染，產(chǎn)率低等缺點(diǎn)。

四、結(jié)束語

（一）石英砂選礦提純方法和工藝流程一般由以下幾點(diǎn)確定：a 原砂中雜質(zhì)礦物的賦存狀態(tài)；b 提純工藝的選礦成本；c 精砂制品的工業(yè)用途。

（二）對(duì)一般工業(yè)用途的精砂石英砂，盡可能選擇為簡(jiǎn)單的工藝流程以降低提純成本。推薦選用擦洗—脫泥—磁選工藝，即可滿足精神的質(zhì)量要求。

（三）對(duì)作為高科技用砂的高純和超高純石英砂，則需要進(jìn)一步采用浮選和酸浸等工藝對(duì)石英砂再次提純。高純和超高純石英砂的質(zhì)量要求一般為二氧化硅≥99.99%，三氧化二鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1×10-5，其提純過程不僅要嚴(yán)格控制選別條件，而且對(duì)相應(yīng)提純?cè)O(shè)備要求也比較嚴(yán)格，以防止二次污染。

（四）我們首次使用加藥高效強(qiáng)力擦洗—分級(jí)—磁選這一新的提純工藝，并在云南某地石英砂巖的選礦提純中獲得成功，克服了棒磨擦洗帶來的鐵質(zhì)二次污染，產(chǎn)率低等缺點(diǎn)。該工藝對(duì)實(shí)現(xiàn)石英砂在低成本，高效提純除雜方面很有意義。