摘要：石英砂是石英石經(jīng)破碎加工而成的石英顆粒，石英石是一種非金屬礦物質(zhì)，是一種堅硬、耐磨、化學性能穩(wěn)定的硅酸鹽礦物。石英砂是重要的工業(yè)礦物原料，非化學危險品，廣泛用于玻璃、鑄造、陶瓷及防火材料等工業(yè)。作為重要的工業(yè)原料，其生產(chǎn)加工技術(shù)值得深入的學習研究。
引言
石英砂作為硅原料的核心原料，在硅原料的生產(chǎn)與供應(yīng)中起著不可替代的重要基礎(chǔ)作用。它所具有的獨特物理、化學、光學特性，使得其在許多高科技產(chǎn)品中發(fā)揮著越來越重要的作用。如IT行業(yè)的核心技術(shù)產(chǎn)-計算機芯片、光導纖維、電子產(chǎn)業(yè)的諧振器、新型電光源、高絕緣的封接材料、航空航天儀器、軍工技術(shù)產(chǎn)品、特種光學玻璃、化學分析儀器等等，都離不開這些基礎(chǔ)原料。
1、石英砂概述
1.1 石英砂簡介
石英是一種物理性質(zhì)和化學性質(zhì)均十分穩(wěn)定的礦產(chǎn)資源，晶體屬三方晶系的氧化物礦物，即低溫石英(a-石英)，是石英族礦物中分布較廣的一個礦物種。
廣義的石英還包括高溫石英(b-石英)。石英塊又名硅石，主要是生產(chǎn)石英砂(又稱硅砂)的原料，也是石英耐火材料和燒制硅鐵的原料。石英化學式為SiO2，常含有少量雜質(zhì)成分如Al2O3、CaO、MgO等。
石英砂是一種堅硬、耐磨、化學性能穩(wěn)定的硅酸鹽礦物，其主要礦物成分是SiO2，石英砂的顏色為乳白色或無色半透明狀，硬度7，性脆無解理，貝殼狀斷口，油脂光澤，密度為2.65，其化學、熱學和機械性能具有明顯的異向性，不溶于酸，微溶于KOH溶液，熔點1750℃。
1.2 石英砂分類
工業(yè)上的分類：普通石英砂、精制石英砂、高純石英砂、熔融石英砂、硅微粉。
| 類型 | SiO2 | Fe2O3 | 粒度范圍 | 其他特征 |
| 普通石英砂 | 90%-99% | 0.2%-0.06% | 5-220 | |
| 精制石英砂 | 90%-99.5% | 0.015%-0.02% | 5-480 | |
| 高純石英砂 | 99.5%-99.9% | ＜0.001% |
1-0.5mm 0.5-0.1mm 0.1-0.01mm 0.01-0.005mm |
|
| 熔融石英砂 | 99.9%-99.9% | 5PPM-25PPM |
Li2O1-2PPM Al2O320-30PPM K2O20-25PPM Na2O10-20PPM |
1.3 部分石英砂使有標準
| 原料品質(zhì) | 雜質(zhì)總量×10-4 | 無雜質(zhì)成分 | 應(yīng)用范圍 | ||||
| Al | Fe | B | 堿金屬 | 堿土金屬 | |||
| 普通 | 150-50 | 無具體要求 | 電光源 | ||||
| 高純 | ＜30 | ＜15×10-3 | ＜1.5×10-3 | ＜0.5×10-3 | ＜4×10-3 | ＜4×10-3 | 電子石英、光纖管 |
| 較高純 | ＜10 | ＜3×10-3 | ＜0.1×10-3 | ＜0.1×10-3 | ＜0.5×10-3 | ＜1×10-3 | 光學應(yīng)用 |
石英玻璃原料的一般工業(yè)要求：
世界各國對玻璃用石英砂的粒度控制不完全相同，但一般認為顆粒度較適宜的范圍在0.5-0.1mm之間，大于0.5mm和小于0.1mm的粒度均不得超過5%。我國熔制玻璃的硅砂粒度控制在0.1-0.75mm，其中0.25-0.5mm的粒度不應(yīng)少于90%，小于0.1mm的不超過5%。硅砂粒度過粗，熔融困難；粒度過細，又容易結(jié)成團塊，使配料不容易拌勻，而影響玻璃質(zhì)量。
中國平板玻璃和器皿玻璃的一般技術(shù)指標要求：
光學玻璃和光通玻璃纖維對硅砂質(zhì)量要求很高，一般采用SiO2≥99.92%，F(xiàn)e2O3＜0.003%的精制砂和高硅砂制作各種中、光學鏡片和煉制光纖通信用的石英玻璃纖維。
| 礦石品級 | 主要化學成分要求，% | 備注 | |||||
| SiO2 | Al2O2 | Fe2O3 | TiO3 | CrO3 | |||
| 平板玻璃 | Ⅰ | ＞99 | ＜0.5 | ＜0.05 | ＜0.5 | ＜0.5 | 特種玻璃 |
| Ⅱ | ＞98 | ＜1.0 | ＜0.1 | 工業(yè)技術(shù)玻璃 | |||
| Ⅲ | ＞96 | ＜2.0 | ＜0.1 | 一般平板玻璃 | |||
| 器皿玻璃 | Ⅰ | ＞99 | ＜1.0 | ＜0.05 | 玻璃器皿等 | ||
| Ⅱ | ＞98 | ＜2.0 | ＜0.1 | 一般玻璃器皿 | |||
| Ⅲ | ＞90 | ＜4.0 | ＜0.35 | 瓶罐玻璃 | |||
鑄造型砂工業(yè)要求：
利用硅砂高熔點特性制成鑄鋼件的砂蕊。根據(jù)鑄鋼件大小及準確度的要求不同，可使用40-320目各種規(guī)格的石英砂。一般多用SiO2≥99.5%的精制石英砂。普通鑄鋼件要求石英砂質(zhì)量稍低。
| 原砂類型 | 等符號 | 泥率，% | SiO2，% | K2O+Na2O，% | CaO+MgO，% | Fe2O3 |
| 石英砂 |
1s 2s 3s 4s |
≤2 ≤2 ≤2 ≤2 |
≥97 ≥96 ≥94 ≥90 |
≤0.5 ≤1.5 ≤2.0 ..... |
≤1.0 ≤1.5 ≤2.0 ..... |
≤0.75 ≤1.0 ≤1.5 ..... |
| 石英-長石砂 |
1sc 2sc |
≤2 ≤2 |
≥85 ≥85 |
其他，在化工產(chǎn)品中利用石英砂含硅高和化學穩(wěn)定性制取泡花堿。固體泡花堿中，石英用量約占60%。
固體泡花堿主要在煉制石油工業(yè)中作催化劑。要求石英砂中SiO2＞99%，F(xiàn)e2O3＜0.03%，粒度20-40目，顆粒度合格率大于75%。
液體泡花堿主要作為紙箱用的粘合劑和肥皂、洗衣粉等，按它們的用途和生產(chǎn)工藝不同，對石英砂的質(zhì)量要求也不完全相同，一般可使用20-320目各種規(guī)格石英砂，要求SiO2＞98%，F(xiàn)e2O3＜0.2%，顆粒度合格率＞80%。
2、石英砂的生產(chǎn)工藝
2.1 物理法加工石英砂
物理方法主要是水洗和分級脫泥、擦洗、磁選和浮選法等。
2.1.1 水洗和分級脫泥
這種方法主要是針對含有大量粘土礦物的石英砂。
因為隨著石英砂顆粒變細，其中SiO2的品位隨之降低，而鐵質(zhì)和鋁質(zhì)等雜質(zhì)礦物的品位反而升高，所以在入選前對石英砂原礦進行水選、分級脫泥非常必要，并且效果也較為明顯。
它只是作為一種礦石入選前的預處理方法，應(yīng)用得較早也很普遍，但對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。
2.1.2 擦洗
擦洗是借助機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)礦物和進一步擦碎未成單體的礦物集合體，再經(jīng)分級作業(yè)達到石英砂進一步提純的效果。
目前，主要有棒磨擦洗和機械擦洗兩種方法。
對于機械擦洗，其相關(guān)機械設(shè)備的結(jié)構(gòu)和配置以及工藝流程中的擦洗時間和擦洗濃度都是影響擦洗效果的主要因素。
由于影響它的因素太多，使機械擦洗的回收率很低，只有約40%，所以機械擦洗的效果不太理想。相對于機械擦洗，棒磨擦洗的效果要比它好得多。
在棒磨擦洗工藝中，加入適當?shù)乃巹?，增加雜質(zhì)礦物和石英顆粒表面的電斥力，增強雜質(zhì)礦物與石英顆粒相互間的分離效果，使擦洗的回收率提高到80%，棒磨擦洗幾乎是機械擦洗的兩倍，但是對于提純高純度的石英砂，它也只是對礦石預處理的一種方法。
2.1.3 磁選
磁選法可以較大限度地去除石英砂顆粒內(nèi)含有的雜質(zhì)。
以赤鐵礦、褐鐵礦和黑云母等為主的弱磁性雜質(zhì)礦物和以磁鐵礦為主的強磁性礦物。
對于強磁性雜質(zhì)的礦物常采用弱磁機或者是中磁機進行磁選。
一般來說，磁選次數(shù)和磁場強度對磁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。
而在一定的磁場強度下可除去大部分的鐵質(zhì)，但此后磁場強度即使提高很多，除鐵率也無多大變化。
另外，石英砂粒度越細，除鐵效果越好，其原因是細粒石英砂中含鐵雜質(zhì)礦物量高的緣故。
2.1.4 浮選
浮選是為了除去石英砂中長石、云母等非磁性伴生雜質(zhì)礦物。目前主要有有氟浮選和無氟浮選兩種方法。
有氟浮選是采用陽離子捕收劑和氫氟酸活化劑在酸性pH值范圍內(nèi)進行的。
但是考慮到含氟廢水對環(huán)境的嚴重影響，人們開始轉(zhuǎn)向無氟浮選。
2.2 化學法加工石英砂
化學方法主要是酸浸法和絡(luò)合法，酸浸法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，從而可以實現(xiàn)對石英的進一步提純。
絡(luò)合法是利用石英粉在經(jīng)過酸浸后，酸又能與溶液中的雜質(zhì)離子形成配位化合物，使溶液中的雜質(zhì)離子進一步去除。
酸浸法又分為單酸浸法和混合酸浸法。酸浸法常用酸類有硫酸、鹽酸、硝酸和氫氟酸。絡(luò)合法常用的酸類主要是草酸和醋酸。
2.2.1 單酸浸法
將一定量的石英砂置于一定濃度的酸溶液中，加熱到一定溫度，加熱適當?shù)臅r間，將酸溶液回收，石英砂經(jīng)洗滌、干燥即可。
2.2.2 絡(luò)合法
絡(luò)合法是將一種中等強度的有機酸，與石英砂表面的雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，且還能與反應(yīng)后的雜質(zhì)離子形成穩(wěn)定的配位化合物。
此法降低了雜質(zhì)離子在顆粒表面的濃度，同時也防止離子在洗滌過程中產(chǎn)生沉淀，使石英砂中雜質(zhì)含量進一步降低。
Panias等用將平均粒徑20μm含鐵量為110×10-6的石英砂，稱取一定量置于草酸溶液中，在加熱至80℃下，處理時間為3h，可以溶解含鐵礦物。
在酸性溶液中只能以Fe3+形式存在，F(xiàn)e3+
其除鐵率在80%-100%之間，經(jīng)過處理后，石英砂中含鐵量低于10×10-6。
2.2.3 混合酸浸法
由于每一種酸對石英砂中雜質(zhì)的去除效果不同，不同的酸混合在一起，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使石英砂中雜質(zhì)的去除率更高，可以獲得純度更高的石英砂。
將水洗后的石英砂加入到混合酸液中，在常溫下，間隙攪拌浸出，一般時間為24h；若在加熱的條件下，采用攪拌浸出，時間一般為2-6h，洗滌干燥即可。
2.3 其他方法
3、石英砂的應(yīng)用
石英砂所具有的獨特的物理化學特性，使得其在航空、航天、電子、機械以及當今飛速發(fā)展的IT產(chǎn)業(yè)中占有舉足輕重的地位，特別是其內(nèi)在分子鏈結(jié)構(gòu)、晶體形狀和晶格變化規(guī)律，使其具有的耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、高度絕緣、耐腐蝕、壓電效應(yīng)、諧振效應(yīng)以及其獨特的光學特性，在許多高科技產(chǎn)品中發(fā)揮著越來越重要。用途：制造玻璃，耐火材料，冶煉硅鐵，冶金熔劑，陶瓷，研磨材料，鑄造，石英產(chǎn)品在建筑中利用其有很強的抗酸性介質(zhì)浸蝕能力，用來制取耐酸混凝土及耐酸砂漿。
水處理濾料：由于三層濾料濾床的石英砂粒徑比雙層濾料的石英砂粒小，且石英砂層之下還有一層更細的重質(zhì)無煙煤濾料，所以在其他條件相同，甚至濾速高一些的情況下，三層濾料濾池的濾后水的水質(zhì)比雙層濾料濾池的水質(zhì)為好。在使用石英砂的時候，盡量配合使用。
我國絕大多數(shù)污水處理廠執(zhí)行的是《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中的B標準，而執(zhí)行A標準可以較大限度地對污水進行“除磷脫氮”，減少對后續(xù)受納水體的污染，出水可作為回用水，解決我國部分地區(qū)水資源緊缺的問題。
4、總結(jié)
石英砂是重要的工業(yè)原材料，其生產(chǎn)制備工藝面臨眾多困難，尤其是高純石英砂是應(yīng)用較為廣泛的原材料，但提純技術(shù)復雜，目前全球掌握此技術(shù)的只有少數(shù)企業(yè)，行業(yè)技術(shù)壁壘較高。
國內(nèi)外企業(yè)適應(yīng)制品生產(chǎn)技術(shù)差別很多，國內(nèi)主要生產(chǎn)中低端產(chǎn)品。隨著市場的發(fā)展，石英砂的應(yīng)用日趨廣泛，國內(nèi)需求市場空間更大，但不斷提高自身的技術(shù)水平，向石英砂產(chǎn)品方向發(fā)展。
