石英砂的提纯与检测技术

一、背景

石英砂又称硅砂，是一种常见的非金属矿物原料。我国的石英砂选矿提纯及深加工开发利用的比较晚，并且主要用于建筑工业、玻璃制造、陶瓷工业和铸造工业，这些领域对石英砂的需求量大，但对原料质量要求低。对于一些优质石英砂而言，基本上不经过选矿提纯或略经提纯，即可满足工业用砂需求。  

目前，国外以美国的石英砂选矿提纯技术最为先进，特点是工业化产量大、装备专业化和生产自动化程度高，其产品已发展到第六代（杂质总质量分数小于8×10-6，透明度为光学级）。

随着科学技术的进步，高科技用硅的需求量将大量增加，而天然水晶资源的日趋枯竭使得人们不得不将目光转向天然水晶的替代品——（超）高纯石英砂。因此，推动石英砂选矿提纯技术的进步，实现精制石英砂、（超）高纯石英砂的低成本、大批量工业化生产，对弥补天然水晶资源的不足，满足高科技用硅需求具有重要的现实意义。

二、石英砂的提纯方法

石英砂提纯是除去石英砂中少量或微量杂质，获得精制石英砂或高纯石英砂（如电子级产品）的高难度分离技术。近年来，国内外对石英砂提纯工艺研究主要围绕以下几个方面进行：

1）水洗、分级脱泥  

石英砂中的SiO2的品位随着石英砂粒度的变细而降低，铁质和铝制等杂质矿物的品位则正好相反，这种现象在含有大量粘土性质矿物石英砂中尤为明显。所以在入选前对石英砂原矿进行水选，分级脱泥是非常必要的，而且效果也是较为明显的。

评价：水洗、分级脱泥作为一种矿石入选前的预处理方法，应用的较早且普遍，但对于存在于石英砂表面的薄膜铁和粘连性杂质矿物，其脱除效果尚不显著。 

2）擦洗  

擦洗是借助机械力和砂粒间的磨剥力来除去石英砂表面的薄膜铁、粘结及泥性杂质矿物和进一步擦碎未成单体的矿物集合体，再经分级作业达到石英砂进一步提纯的效果。

对于机械擦洗，一般认为影响擦洗效果的因素主要来自擦洗机的结构特点和配置形式，其次为工艺因素，包括擦洗时间和擦洗浓度。

研究表明，砂矿擦洗浓度在50%-60%之间效果最好，而且在一定程度上反而加大了石英砂提纯的难度；擦洗时间原则上以初步达到产品质量要求为基准，不宜过长，因时间过长，会加大设备磨损，提高能耗和造成选矿提纯成本的增加。

评价：由于对某些石英砂矿，机械擦洗擦除效果不太理想，因此，我国棒磨擦洗工业应用较为普遍和相对成熟。

3）磁选  

磁选工艺的采用，可以最大限度的清除包括连生体颗粒在内的赤铁矿、褐铁矿和黑云母等弱磁性杂质矿物。强磁选通常采用湿式强磁选机或高梯度磁选机。

一般而言，对杂质以褐铁矿、赤铁矿、黑云母等弱磁性杂质矿物为主的石英砂，利用湿式强磁机在10000奥斯特以上可以选出；对含杂以磁铁矿为主的强磁性矿物，则采用弱磁机对或中磁机进行选别效果比较好。

评价：当石英砂原砂中含杂质矿物较多时，仅采用擦洗、脱泥和磁选是不能将石英砂提纯成高纯砂的，为了进一步提高石英砂的纯度和降除杂质。 

4）浮选

考虑到含氟废水对环境的严重影响，无氟有酸浮洗法应运而生。无氟无酸浮选法是近年来大力开发的石英长石浮选分离新工艺，该方法是在自然中性介质中，利用石英、长石结构组成的差异，合理调配阴阳离子捕收剂的配比，优先浮选出长石，实现二者的分离。

评价：无氟无酸浮选法不算成熟，目前尚未见到工业生产的应用的报道。云母与石英的等电点相近，分选难度大，采用酸性条件下阴离子捕收剂，或在碱性条件下阴-阳离子捕收剂两种方法浮选，可获得很好的效果。一般而言，经过擦洗、脱泥、磁选和浮选后，石英砂的纯度可达到99.3%-99.9%，基本上满足工业用砂的需求。 

5）色选

色选是根据物料光学特性的差异，利用光电探测技术将颗粒物料中的异色颗粒自动分拣出来。色选机主要由给料系统、光学检测系统、信号处理系统和分离执行系统组成。

评价：色选用于石英砂行业利于将杂色矿物分选出来，或在选矿前期将石英块按颜色差异进行分选。

6）酸浸 

酸浸是利用石英不溶于酸（HF除外），其他杂质矿物能被酸液溶解的特点，从而可以实现对石英的进一步提纯。酸浸常用酸类有硫酸、盐酸、硝酸和氢氟酸等；还原剂有亚硫酸及其盐类等。

研究发现，上述酸类对石英中的非金属杂质矿物均有良好的去除效果，但对不同的金属杂质，酸的种类及其浓度影响较为显著。一般认为各种稀酸对Fe和Al的去除均有显著效果，而对Ti和Cr的去除效果则采用较浓的硫酸、王水或HF进行酸浸处理。通常使用上述酸类组成的混合酸进行杂质矿物的酸浸脱除，考虑到HF对石英的溶解作用，HF浓度一般不超过10%。

评价：酸浸各种因素的控制应根据石英最终品位要求，尽量降低酸的浓度、温度和用量，减少酸浸时间，以实现在较低的选矿成本下进行石英提纯。经过酸浸处理后的石英砂，可获得纯度达99.99%的高纯石英砂。 

7 ）微生物浸出 

用微生物浸除石英砂颗粒表面的薄膜铁或浸染铁是新近发展起来的一种除铁技术。

据国外研究结果表明，以黑曲霉素浸除铁效果最佳，Fe2O3的去除率多在75%以上，精矿Fe2O3的品位低达0.007%。

评价：目前微生物除铁处于实验室研究阶段，规模化工业的生产尚需作进一步的实验研究。 

8）其他提纯方法   

由于不同石英砂制品对杂质矿物含量的不同要求，有时也采用一些其他的提纯方法作进一步提纯，如电选利用石英与杂质矿物在电性上微小的差别，可选出微量金属杂质矿物；热氯化方法可除去石英中的气、液相杂质和杂质矿物、金属包裹体对工艺过程中的表面污染，达到对石英砂进一步提纯。

三、石英砂的检测

石英砂的检测主要包括以下几个方面：白度检测、二氧化硅检测、铁含量及铝含量检测等。 

石英砂的主要规格及标准：

石英砂技术指标：

如果你想更全面了解石英砂的提纯与检测技术，不妨在“2017石英砂精细加工及应用技术交流会”中由中国科学院合肥物质科学研究院陈健研究员带来的《石英砂的提纯与检测技术》报告中找答案。

姓名：陈健

职称：中国科学院合肥物质科学研究院应用技术研究所研究员

专业：材料物理与化学

主要从事新材料的理论研究与制备和应用技术开发。在Al-Si合金法提纯硅料的理论研究中，提出了表观偏析系数的概念和计算方法并用于提纯动力学的研究，证明了动力学因素是控制提纯效率的一个关键参数，在该理论的指导下，通过研究提纯时的温度场，熔体流场，电磁场以及杂质元素的耦合交互作用，进一步发现了几种新的提纯机制，关键杂质元素B和P的提纯效率得到大幅度提高，均刷新了行业的记录并突破了Al-Si-X三元体系热力学提纯效率理论极限，为太阳级硅料生产核心技术的突破打下了坚实基础。

在加拿大6N Silicon Inc.工作时发明了Al-Si合金法提纯硅料时初晶硅高效分离及副产品综合利用技术，使生产成本大幅度降低，在世界上首次实现Al-Si合金法提纯硅料技术的产业化生产，该技术在加拿大获得多个奖项和北美主流媒体的广泛关注和报导。

开发的热处理技术能够减小Al-Mg合金的时效软化效应，在生产中每年能够节省大量的铝合金；开发的磁性形状记忆合金在美国海军的某型号战术巡航导弹飞行姿态控制装置和加拿大海军海底潮流能量捕获装置上试用。  

发表论文60余篇，并申请专利10余项。  

目前作为负责人承担中科院百人计划，国家自然科学基金等研究项目。