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关于高纯石英的9大“硬核”知识点


来源:中国粉体网   平安

[导读]  高纯石英砂是指SiO2含量在99.95%以上或者更高,Fe2O3含量在0.0001%以下,Al2O3含量在0.01%以下的石英砂。

中国粉体网讯  


“高纯石英砂”是什么?


高纯石英砂是指SiO2含量在99.95%以上或者更高,Fe2O3含量在0.0001%以下,Al2O3含量在0.01%以下的石英砂。主要应用在高新技术产业如航空航天、生物工程、高频率技术、电子技术、光纤通信和军工等领域。



(来源:网络)


何谓“高纯石英原料”?


“高纯石英原料”是指那些能被现有成熟的矿物加工技术将其SiO2纯度提纯至99.9%及以上的天然石英矿物资源,提纯后的高纯石英砂满足现代高新产业使用效能的严格要求。


“高纯石英原料”与“玻璃硅质原料”都是被赋予经济意义的以石英矿物为主的工业矿物原料名称,但二者的矿物加工产品瞄准的应用领域差异明显,玻璃硅质原料主要用以生产平板玻璃和器皿玻璃,而高纯石英原料是用于制造光纤、石英坩埚、石英玻璃、单晶硅和多晶硅等高新技术产品的一类特殊石英资源。高纯石英原料更符合现代高新产业对原料极高化学纯度的特征要求。


高纯石英矿床需要满足哪些条件?


研究表明:规模大、品位高、品质好的高纯石英矿床有3个基本地质条件:


硅源充足;

无同期金属矿床伴生以保证硅源和矿石的纯度;

动定相宜的构造环境以提供大规模硅质运移通道、稳定的压力-温度和充分的高纯石英结晶时间(P-T-t)以及足够的成矿空间。


美国尤尼明公司认为高纯石英的提纯极限与其原料的品质密切相关,并对高纯石英原料的矿床地质特点进行了研究,认为独特的石英矿床的地质作用导致石英动力学重结晶,石英颗粒的晶体塑性变形,晶体内空隙杂质沿着新形成的颗粒界限集中,与变形运动相随的液体,有助于这些杂质的溶解和迁移,使杂质从重新结晶的石英颗粒中移出。


如何除铁杂质?


一般铁在石英矿中以以下常见的六种形式存在:


以细微粒状赋存在粘土或高岭土化的长石中;

以氧化铁薄膜形式附着于石英颗粒表面;

铁矿物(赤铁矿、磁铁矿、镜铁矿、钛铁矿等)或含铁矿物(云母、角闪石、石榴子石等);

在石英颗粒内部呈浸染或透镜状态;

以固溶体状态存在于石英晶体内部;

破碎磨矿过程中会混入一定量的次生铁。


针对不同形式的铁杂质,选用以下不同选矿提纯方法:


(1)筛分、分级


主要应用在铁杂质以微细粒状存在于粘土矿物中时或者石英原矿泥化现象严重时,采用此法可以有效地将之除去,提高SiO2的含量。近年来随着细筛技术的进步和微小型旋流器的应用,分级粒度越来越小,对有效去除微细粒的铁杂质非常有效。


(2)擦洗


主要用来脱除石英矿表面的薄膜或者铁锈以及粘性、泥性杂质矿物,再经过分级作业将它们除去,从而达到提纯的目的。目前,主要有棒磨擦洗和超声波擦洗。对于机械擦洗,影响因素主要包括擦洗机的结构、配置形式以及擦洗时间、擦洗浓度等。研究表明,擦洗浓度在50%~60%之间效果最好,浓度过大或过小,都会降低杂质矿物的擦除效果,而且在一定程度上反而加大了石英砂的提纯难度;擦洗时间原则上以初步达到产品质量要求为准,不宜过长。时间过长,会加大设备磨损,提高能耗,增加选矿成本。


(3)化学酸浸


酸浸法经常用于除去石英颗粒表面的薄膜铁和石英颗粒内部的铁杂质,也用来除去其它杂质。缘于石英不溶于酸(除HF例外),其他杂质矿物能被酸溶解的特点。常用的酸有硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸和草酸等;通常在酸浸过程中加入绿矾,亚硫酸盐等还原剂,更有利于杂质矿物的浸出。酸的浓度、酸的用量、酸浸的时间、温度以及矿浆搅拌均会影响石英砂的浸出效果。试验表明,混合酸的浸出好于单一酸的浸出效果。缺点是对设备腐蚀严重、成本高、污染环境、浸出时间长。


(4)浮选法


浮选法主要用于除去石英颗粒内呈浸染状或透镜状的铁以及存在于云母、角闪石等矿物中的铁,另外用浮选也可脱除破碎和磨矿混入的次生铁。常用的浮选方法是用H2SO4做pH调整剂和阴阳离子混合捕收剂除铁,或者用HF为活化剂和阳离子胺类捕收剂的氢氟酸法或者用阴离子捕收剂,在抑制剂的作用下除去铁杂质。


(5)重选、磁选


主要用来除去石英矿中的含铁的重矿物、铁矿物、泥性矿物以及破碎磨矿混入的次生铁,以提高石英砂的质量。重选包括水洗脱泥、水力分级和摇床选矿三种,常用的设备主要是螺旋选矿机、溜槽和摇床等,摇床的分选效果较好。


磁选是利用石英和含铁矿物磁性的不同而进行分选的一种方法,可以最大限度地除去包括连生体在内的赤铁矿、褐铁矿和黑云母等弱磁性杂质矿物。磁选的次数和磁场的强度对磁选除铁有显著影响,随磁选次数和磁场强度的增加,除铁量显著增加。尤其是近年高梯度强磁场磁选机的发明,对非金属矿物的提纯有显著效果。



电磁浆料高梯度磁选机

(来源:山东华特磁电科技股份有限公司)



立环强磁选机

(来源:沈阳隆基电磁科技股份有限公司)



电磁干粉高梯度磁选机

(来源:潍坊迈基特磁电设备有限公司)


(6)微生物浸除法


主要应用于石英表面的薄膜铁或浸染铁。国外在这方面做的工作比较多,国内很少有这方面的报道。有研究表明,用黑曲霉素菌、青霉、假单胞菌、多粘菌素杆菌等微生物对石英表面薄膜铁浸除时,均取得了良好的效果,其中以黑曲霉素菌除铁效果最佳,Fe2O3的浸除率多在75%以上,精矿Fe2O3的品位低达0.007%。


如何除铝杂质?


石英矿中的铝杂质主要以长石,云母和粘土矿物的形式存在,对于粘土矿物,采用擦洗和分级脱泥方法即可除去。而对于以长石形式存在的含铝矿物,与石英的有效分离一直以来是选矿界的难点,尤其是长石和石英的分离。因为二者同属架状硅酸盐矿物,物理性质极其相似,用重选和磁选无法将其分离。最有效的方法是浮选法,在深度提纯时也使用混合酸浸出法。


(1)有氟浮选法


以HF做调整剂,在阳离子捕收剂体系下对长石和石英浮选分离,在实践中被公认为最合适的药剂制度,所以,到今天为止,世界仍有很多工厂用这一工艺进行长石的生产和石英的提纯。但是由于HF有剧毒,对环境有很大的污染以及对设备腐蚀也相当严重,现已不使用或被禁止使用,无氟浮选工艺也逐渐普及。


(2)无氟浮选法


无氟浮选法是针对有氟浮选法对环境有严重影响而迅速发展起来的一种方法,主要分为酸性浮长石法、中性浮长石法和碱性浮石英法,其中以酸性浮选长石法最为成熟,实现了工业生产。


(3)氯化焙烧


氯化焙烧又称氯化脱气,利用颗粒表面与内部在高浓氯气作用下产生的化学位梯度,促使气液包裹体扩散出去。石英颗粒表层的碱金属、碱土金属和残余的包裹体等杂质在高温下与氯气反应生成气态氯化物,相较于其他金属离子,Al和B的反应活性较低,高温气流将这些杂质元素的氯化物带走,从而达到深度提纯的目的。


氯化焙烧是一种深度提纯工艺,成本较高,处理能力有限,具有一定危险性。当前,仅有美国尤尼明公司实现该工艺的工业应用,国内有科研机构、企业进行了尝试,实验室试验取得部分成功,但尚未见应用于大规模工业生产。


该工艺对进料要求较高,一般是经过传统工艺提纯后,SiO2纯度达到99.99%,杂质总量小于100×10-6的石英砂才能满足进料要求,起氯化作用的气体主要是Cl2,可单独使用,也可与HCl混合煅烧,而高纯N2和Ar的混入可降低废气处理压力。氯化焙烧的装置多为自行设计,还没有统一的标准设备,仍处于不断发展完善过程中。


其他提纯工艺有哪些?


高温真空法;

高温掺杂提纯法;

煅烧-酸淬法;

微波爆裂法;

超声波分散提纯法;

高压静电分离;

辐照色选法等。


石英色选技术?


色选机中的光学检测系统根据矿物次品与合格品在颜色、透明度上的差异,对分选装置发出指令,用气嘴对次品喷射高压气体,使之从合格品中剔除。矿物40mm以下用人工色选很不经济。在3~5mm范围内,色选机的效率很高。色选技术可以用于分选石英矿中,透明石英与乳石英(milky quartz)、蔷薇石英(rose quartz)、烟晶(smoky quartz)等有色矿物。



石英石专用色选机

(来源:合肥谷鑫电子科技有限公司)



自由落体式矿石色选机

(来源:安徽捷泰智能科技有限公司)



石英砂色选机

(来源:合肥百特光电科技有限公司)



双层粉料矿石色选机

(来源:安徽中科光电色选机械有限公司)


高纯石英的检测技术?


由于高纯石英纯度高,需要测试的元素种类较多,常用的分析化学法和X射线荧光光谱法(XRF)均难以达到要求。目前普遍采用的测试方法是电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES),该方法具有灵敏度高、精确度好、基体效应小、选择性高、标准曲线线性范围宽等优点,对金属元素具有良好的检出限,可以在短时间内对数种元素同时进行测定。



ICP-OES

(来源:网络)


“四个一体”高纯石英技术?


高纯石英技术包括高纯石英原料选择技术、加工工艺技术、加工装备技术和质量检测技术等四个方面,它们是既相互独立,又相互联系和相互制约的技术整体。因此,发展我国高纯石英技术是一项系统工程,仅仅从某个方面努力是难以达到效果的。因为原料选择技术是高纯石英技术的基础和前提,在缺少高纯石英原料选择技术情况下,难以获得高品质原料;在缺少高品质原料情况下,难以加工出高端产品;在缺少加工装备技术情况下,难以实现高端产品产业化;在缺少质量检测技术情况下,各项工作将都难以开展。


附相关图表:







图1-4高纯石英矿处理流程图





参考资料:

汪灵等.中国高纯石英技术现状与发展前景.成都理工大学

汪灵等.我国高纯石英加工技术现状与发展建议.成都理工大学

丁亚卓.低品位石英矿提纯制备高纯度石英的研究.东北大学

吴逍.高纯石英原料选择评价及提纯工艺研究.西南科技大学

周亢.提高石英浮选提纯效果的研究.华南理工大学


(中国粉体网编辑整理/平安)

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