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(jiān)硬、耐磨、化學(xué)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(xué)危險(xiǎn)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(xué)習(xí)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(dú)特物理、化學(xué)、光學(xué)特性，使得其在許多高科技產(chǎn)品中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。如IT行業(yè)的核心技術(shù)產(chǎn)-計(jì)算機(jī)芯片、光導(dǎo)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(xué)玻璃、化學(xué)分析儀器等等，都離不開(kāi)這些基礎(chǔ)原料。
1、石英砂概述
1.1 石英砂簡(jiǎn)介
石英是一種物理性質(zhì)和化學(xué)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(gè)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(xué)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(jiān)硬、耐磨、化學(xué)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(wú)色半透明狀，硬度7，性脆無(wú)解理，貝殼狀斷口，油脂光澤，密度為2.65，其化學(xué)、熱學(xué)和機(jī)械性能具有明顯的異向性，不溶于酸，微溶于KOH溶液，熔點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)
| 原料品質(zhì) | 雜質(zhì)總量×10-4 | 無(wú)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(wú)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(xué)應(yīng)用 |
石英玻璃原料的一般工業(yè)要求：
世界各國(guó)對(duì)玻璃用石英砂的粒度控制不完全相同，但一般認(rèn)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(guò)5%。我國(guó)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(guò)5%。硅砂粒度過(guò)粗，熔融困難；粒度過(guò)細(xì)，又容易結(jié)成團(tuán)塊，使配料不容易拌勻，而影響玻璃質(zhì)量。
中國(guó)平板玻璃和器皿玻璃的一般技術(shù)指標(biāo)要求：
光學(xué)玻璃和光通玻璃纖維對(duì)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(xué)鏡片和煉制光纖通信用的石英玻璃纖維。
| 礦石品級(jí) | 主要化學(xué)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(diǎn)特性制成鑄鋼件的砂蕊。根據(jù)鑄鋼件大小及準(zhǔn)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(hào) | 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(zhǎng)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(xué)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(duì)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(jí)脫泥、擦洗、磁選和浮選法等。
2.1.1 水洗和分級(jí)脫泥
這種方法主要是針對(duì)含有大量粘土礦物的石英砂。
因?yàn)殡S著石英砂顆粒變細(xì)，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(duì)石英砂原礦進(jìn)行水選、分級(jí)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(yù)處理方法，應(yīng)用得較早也很普遍，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。
2.1.2 擦洗
擦洗是借助機(jī)械力和砂粒間的磨剝力來(lái)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，主要有棒磨擦洗和機(jī)械擦洗兩種方法。
對(duì)于機(jī)械擦洗，其相關(guān)機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)和配置以及工藝流程中的擦洗時(shí)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(jī)械擦洗的回收率很低，只有約40%，所以機(jī)械擦洗的效果不太理想。相對(duì)于機(jī)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(dāng)?shù)乃巹黾与s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，使擦洗的回收率提高到80%，棒磨擦洗幾乎是機(jī)械擦洗的兩倍，但是對(duì)于提純高純度的石英砂，它也只是對(duì)礦石預(yù)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(qiáng)磁性礦物。
對(duì)于強(qiáng)磁性雜質(zhì)的礦物常采用弱磁機(jī)或者是中磁機(jī)進(jìn)行磁選。
一般來(lái)說(shuō)，磁選次數(shù)和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)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(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(wú)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。
2.1.4 浮選
浮選是為了除去石英砂中長(zhǎng)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(wú)氟浮選兩種方法。
有氟浮選是采用陽(yáng)離子捕收劑和氫氟酸活化劑在酸性pH值范圍內(nèi)進(jìn)行的。
但是考慮到含氟廢水對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重影響，人們開(kāi)始轉(zhuǎn)向無(wú)氟浮選。
2.2 化學(xué)法加工石英砂
化學(xué)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(diǎn)，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石英的進(jìn)一步提純。
絡(luò)合法是利用石英粉在經(jīng)過(guò)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(jìn)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(dāng)?shù)臅r(shí)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(qiáng)度的有機(jī)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(shí)也防止離子在洗滌過(guò)程中產(chǎn)生沉淀，使石英砂中雜質(zhì)含量進(jìn)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(shí)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(guò)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(duì)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(shí)間為24h；若在加熱的條件下，采用攪拌浸出，時(shí)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(dú)特的物理化學(xué)特性，使得其在航空、航天、電子、機(jī)械以及當(dāng)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(dú)特的光學(xué)特性，在許多高科技產(chǎn)品中發(fā)揮著越來(lái)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(qiáng)的抗酸性介質(zhì)浸蝕能力，用來(lái)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(xì)的重質(zhì)無(wú)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(shí)候，盡量配合使用。
我國(guó)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(biāo)準(zhǔn)》中的B標(biāo)準(zhǔn)，而執(zhí)行A標(biāo)準(zhǔn)可以較大限度地對(duì)污水進(jìn)行“除磷脫氮”，減少對(duì)后續(xù)受納水體的污染，出水可作為回用水，解決我國(guó)部分地區(qū)水資源緊缺的問(wèn)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(fù)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(guó)內(nèi)外企業(yè)適應(yīng)制品生產(chǎn)技術(shù)差別很多，國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)中低端產(chǎn)品。隨著市場(chǎng)的發(fā)展，石英砂的應(yīng)用日趨廣泛，國(guó)內(nèi)需求市場(chǎng)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。
