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【干货】精益求精!论石英砂的提纯与表面改性


来源:中国粉体网   默然

[导读]  积极探求和推动石英选矿提纯技术以及石英表面改性技术的进步,实现高纯石英的低成本、大批量工业化生产具有重要的现实意义和经济价值。

中国粉体网讯  石英又称硅石,是一种常见的非金属矿物原料,其应用领域十分广泛,经过选矿提纯可以制成高纯石英。高纯石英是生产石英玻璃、光纤、太阳能电池、集成电路基板等高性能材料的主要原料。


高纯石英一般选用天然石英为原料,但是水晶原料紧缺,价格昂贵,储量逐渐枯竭。因此,积极探求和推动石英选矿提纯技术的进步,实现高纯石英的低成本、大批量工业化生产具有重要的现实意义和经济价值。


石英的选矿提纯


石英选矿提纯是除去石英中少量或微量杂质,来制得高纯石英的技术;这是一个复杂的物理化学过程,涉及到无机化学、物理化学、晶体学和扩散动力学等。目前国内外石英提纯工艺主要有以下几项:


1、水洗、分级脱泥


水洗和分级脱泥是一种矿石入选前的预处理方法,相关研究表明,石英砂粒度越小,杂质含量越高,这主要是由于颗粒表面的泥土所致。采用螺旋洗矿机 、滚筒筛、水力旋流器 、脱泥斗和水力分级机等可以有效的分离泥土和石英,另外,采用高压水流或高压风力对石英块处理增强脱泥效果。


2、擦洗


水洗对于石英砂表面的薄膜铁和粘连性杂质矿物的脱除效果不显著,这时要借助机械力和砂粒间的磨剥力来对石英砂进行进一步的提纯。擦洗时间原则上以初步达到产品质量要求为基准,尽量避免设备磨损以及能耗的增加造成成本的增加。另外,加药擦洗可提高分离效果,主要是由于增大了杂质与石英颗粒表面的电斥力。


3、磁选


磁选可以最大限度的清除包括赤铁矿、褐铁矿和黑云母等在内的弱磁性杂质,矿物。另外,石英砂粒度越细,除铁效果越好,其原因是细粒石英砂中含铁杂质矿物量高的缘故。


4、浮选


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的纯度和降除杂质,还要对石英砂进行浮选—酸浸。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。对于石英,捕收剂在其表面的静电吸附还会随着调浆的进行,吸附量逐渐下降,从而使长石优先于石英浮出。


5、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。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。除酸的浓度外,酸的用量、酸浸时间、温度及矿搅拌均可以影响石英酸浸效果。


6、高温焙烧掺杂提纯法


利用无机盐高温熔化或高温加热时强的反应活性与石英中杂质反应生成易溶于水或酸的物质。如NaCl高温下与Fe2O3反应生成FeCl3,与TiO2反应生成TiCl4。常用的无机盐有硫酸氢钾熔盐,氯化钠、氯化钙、氯化镁、硝酸钠、氯化铵等。





7、微生物浸出


采用黑曲霉素、青霉、假单胞菌、多粘菌素、杆菌等微生物来浸除石英砂颗粒表面的薄膜铁,其中以黑曲霉素浸除铁效果最佳,目前微生物除铁处于实验室研究阶段。


8、色选


根据物料光学特性的差异,利用光电探测技术将颗粒物质分选。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。


石英的表面改性


除对石英进行选矿提纯外,要实现石英的广泛应用,表面改性这一步也是必不可少的。通常表面改性的目的有以下几点:


一是改变石英砂粉体表面的亲油性、浸润性、吸油率、黏度等;


二是改善石英砂粉体作为填料与有机聚合物的相容性、亲和性、分散性和流动性等;


三是提高石英砂粉体填料与有机聚合物相界面之间的结合力,提高复合材料的性能。


表面改性的方法主要有表面涂敷改性以及表面化学改性两种。


1、表面涂敷改性


首先对石英砂粉体进行必要的擦洗和干燥,然后利用树脂或高聚物等对石英砂粉体表面进行“覆膜”,表面涂敷改性通常分为冷法涂覆和热法涂覆两种。热法相比冷法来说,效果更好,适用于大量生产,但需专门的混砂设备。


树脂冷法涂敷石英砂工艺


树脂热法涂敷石英砂工艺


影响石英砂涂敷改性效果的主要因素有石英砂颗粒的形状、比表面积、孔隙率、涂敷聚合物的种类及用量、涂敷工艺方法等。


2、石英砂粉体表面化学改性


石英砂粉体表面化学改性主要有干法改性、湿法改性以及化学包覆改性三种。


干法表面化学改性是加入少量稀释液与硅烷配成处理剂,在高速搅拌、分散和一定温度条件下,将处理剂以喷雾状加入石英粉中,经搅拌处理一定时间后出料。


湿法表面化学改性是利用配置好的表面改性剂和助剂混合配成的处理液,在搅拌分散和一定温度条件对石英砂粉体进行表面改性,之后进行脱水、干燥。


机械粉磨与化学包覆改性是指在机械力作用或细磨、超细磨过程中添加改性剂,随着石英砂粉体粒度减小的同时,对其颗粒进行表面改性。


综合比较,干法工艺具有流程简单、成本低和改性剂适用性好等特点,湿法工艺具有改性剂分散好、粉体表面包覆均匀等特点,不过湿法需脱去水分(过滤和干燥)。机械粉磨与化学包覆复合改性工艺的特点是工艺较简单,可提高粉碎效率,但是其温度难控制,改性剂包覆难以均匀。  


结语:


积极探求和推动石英选矿提纯技术以及表面改性技术的进步,实现高纯石英的低成本、大批量工业化生产具有重要的应用意义和经济价值。为满足高科技用硅的需求,中国粉体网定于2017年12月12-13日在石英砂产业聚集区安徽省凤阳国际大酒店举办“2017石英砂精细加工及应用技术交流会”。届时,来自东华理工大学余志伟教授将作《石英提纯与表面改性技术》的报告,相约凤阳,您必有所得!


关于余志伟教授


职称职务:东华理工大学教授


学科专业:无机非金属材料


研究方向:矿物材料加工,矿物功能材料,新技术材料


余志伟教授研究方向重点是对非金属矿进行深加工技术和工业应用研究,对石英、膨润土、高岭土、方解石、硅灰石、石墨等非金属矿进行了系统的深加工技术研究和应用研究,并取得一系列研究成果。


近年来,一直从事矿物材料超细、提纯、改性和合成等加工技术研究,重点开展超微细(颗粒状、片状、纤维状)功能粉体材料、纳米粘土、纳米抗菌材料、农用稀土转光材料、浅色导电材料、复合钛白颜料、高纯石英、高纯石墨和钒的提取等技术方面的研究。


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