石英的提純與制備高純石英的制備方法有三大類：天然水晶直接加工、低雜質(zhì)的石英礦物提純和含硅化合物化學(xué)合成。天然水晶礦物資源極少，為了改變擺脫對(duì)水晶資源的依賴，國內(nèi)外開始研究以非天然的石英直接提純獲得高純石英的方法，目前只有歐美、俄國、日本等少數(shù)的發(fā)達(dá)國家可以實(shí)現(xiàn)。
日本在20世紀(jì)90年代成功從偉晶巖中提純到高純石英，德國和俄羅斯也分別從脈石英與石英巖中提純到高純石英，20世紀(jì)80年代美國PPCC公司在英國西北海岸Foxdale地區(qū)的花崗巖中提純出高純石英（99.99%），F(xiàn)e雜質(zhì)含量小于1×10-6，其他過渡元素含量小于5×10-6，20世紀(jì)90年代到目前世界上最大的高純石英供應(yīng)商—美國國尤尼明公司在北卡羅來那州SprucePine地區(qū)的花崗巖中分選、提純出高純石英（99.99%～99.999%）。
在天然水晶產(chǎn)地連云港東海，我國相關(guān)企業(yè)加工的高純石英砂也只能生產(chǎn)中低檔石英制品。因此，在我國研發(fā)升級(jí)高純提純技術(shù)具有重大的意義。
高純石英的提純工藝首先將脈石英或石英巖破磨到所需要的粒度并脫除部分的雜質(zhì)，再通過物理和化學(xué)方式分離或者溶解雜質(zhì)。整個(gè)提純過程可以簡單概括為預(yù)處理、物理處理和化學(xué)處理三個(gè)過程，具體為采用破碎、磨礦、篩分、磁選、酸洗、氯化焙燒等多種選礦方法。根據(jù)原礦的成分與品位設(shè)計(jì)相應(yīng)石英的提純工藝：鈉含量較高石英礦需要進(jìn)行高溫煅燒，鈣鎂較高的碳酸鹽礦物需要進(jìn)行鹽酸預(yù)處理。
目前有研究表明：以安徽大別山石英脈礦石為原料，采用煅燒、水淬、浮選、酸浸、醇去離子水清洗等工藝，獲得二氧化硅的純度大于99.997%，鉀、鈉雜質(zhì)的濃度為1.0×10-6，鋁雜質(zhì)的濃度約為1.2×10-5。以青海省柴北緣脈石英進(jìn)行酸洗、磁選及浮選等工藝，將SiO2含量從99.04%提高至99.91%，雜質(zhì)元素含量總和從＞2.511×10-3降低至＜2×10-4。吉林石英礦經(jīng)過棒磨擦洗—磨礦—浮選—深度脫泥工藝，SiO2品位達(dá)到99.9%以上，遼寧朝陽石英礦經(jīng)過磨礦—分級(jí)脫泥—浮選—深度脫泥，SiO2品位達(dá)到99.9%以上，內(nèi)蒙古石英礦經(jīng)過浮選和和深度脫泥，SiO2品位達(dá)到99.76%以上。
1、預(yù)處理技術(shù)
預(yù)處理階段目的是初步篩選雜質(zhì)或?qū)⑹⒃掀扑榈接欣陔s質(zhì)釋放與后續(xù)處理的所需的粒度，一般采用機(jī)械破碎、電動(dòng)粉碎、光學(xué)分選、超聲破碎、熱沖擊破碎等處理方式。
石英粉碎處理需要考慮到有效單體的解離效果和粉碎過程中二次污染兩個(gè)方面因素。石英解離過程中為了避免鐵雜質(zhì)的二次污染影響和提高解離效果，可采取熱力粉碎、高壓脈沖粉碎、超聲破碎手段，這些方法缺點(diǎn)是能耗大、成本高，而傳統(tǒng)機(jī)械法相較于上述方法具有低成本和較高的二次污染特點(diǎn)。傳統(tǒng)機(jī)械法是使用顎式破碎機(jī)或錐形破碎機(jī)將礦物粉碎到所需的粒度，顆粒形態(tài)為不規(guī)則棱角狀。
相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械法，脈沖放電破碎巖石具有更明顯的優(yōu)勢，主要分為液電效應(yīng)破碎和電破碎兩種形式，高壓放電產(chǎn)生的沖擊波，使巖石沿晶界斷裂并有選擇性地指向礦物包裹體，有利于雜質(zhì)的釋放和后續(xù)的處理，還可最大程度地保留礦物的粒度和形貌特征；脈沖放電破碎通常在水介質(zhì)中進(jìn)行，具有無塵環(huán)保的特點(diǎn)。與傳統(tǒng)破碎相比，電動(dòng)破碎在處理雜質(zhì)方面更有效，而且不會(huì)引入大量的鐵污染，電動(dòng)破碎處理后K、Ti、Fe雜質(zhì)含量低于機(jī)械處理，尤其是Fe含量方面，機(jī)械處理Fe含量4.64×10-4，而電動(dòng)破碎Fe含量僅為1.3×10-6。Martynov等本利用脈沖放電在水介質(zhì)中對(duì)玻璃工業(yè)石英砂進(jìn)行預(yù)處理（初步破碎和洗滌），破壞了與硅氧化物顆粒聚集的雜質(zhì)，提高了處理石英砂的效率，為后續(xù)清除不良雜質(zhì)（主要是鐵氧化物和黏土）提供了便利。
光學(xué)分選是根據(jù)不同的顏色或者透明度從原料中分離出來所需要的成分，具有效率高、成本低的特點(diǎn)，例如磷濃度的增高或者輻射都會(huì)引起石英顏色的改變，在乳白色的石英中可分離出透明石英，進(jìn)而降低堿金屬離子。崔振紅等以河北石英砂礦石為原料，經(jīng)破碎篩分、洗礦后再經(jīng)過色選機(jī)進(jìn)行1次色選，SiO2含量可達(dá)到98%。
超聲破碎是基于超聲波具有的機(jī)械能，超聲波的粉碎頭作用于液體時(shí)，液體分子由于空化作用產(chǎn)生大量小氣泡，氣泡破裂產(chǎn)生的巨大壓力將顆粒表面的雜質(zhì)剝落。廖青等以磷酸鹽作為分散劑，經(jīng)一定強(qiáng)度的超聲處理后使含0.12%Fe2O3、99.42%SiO2提純到0.01%Fe2O3、99.8%SiO2，達(dá)到光學(xué)玻璃用砂標(biāo)準(zhǔn)。
熱力粉碎是將石英礦加熱到特定溫度使之體積膨脹或發(fā)生相變，產(chǎn)生大量微小裂紋使機(jī)械強(qiáng)度大大降低，再進(jìn)行粉碎的方法。經(jīng)以上各種預(yù)處理破碎后的石英砂需要理進(jìn)一步進(jìn)行擦洗、脫泥等處理以除去黏附于表面的鐵氧化物和黏土類物質(zhì)；為了實(shí)現(xiàn)石英礦粒度進(jìn)一步解離，可采用球磨、棒磨等手段。石英礦的粒度也將影響后續(xù)的物理、化學(xué)處理效果，采用不同和分級(jí)處理技術(shù)可獲得合理粒徑范圍的石英原料。
2、物理處理技術(shù)
物理選礦方法主要包含磨礦、色選、磁選、浮選等方法，一般用于處理石英中共伴生礦物雜質(zhì)。
摩擦是借助機(jī)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(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，主要有棒摩擦洗和機(jī)械擦洗兩種方法。機(jī)械擦洗受機(jī)械結(jié)構(gòu)、擦洗時(shí)間、擦洗濃度等影響，回收率較低約40%；棒磨擦洗加入適當(dāng)試劑，提高雜質(zhì)礦物與石英的分離效果，回收率可達(dá)到80%。若需獲得高純度的石英砂，還需要進(jìn)一步的處理。
磁選是根據(jù)礦石中礦物磁性差異，在不均勻磁場中實(shí)現(xiàn)礦物分離的選礦方法。弱磁場可除去磁性較強(qiáng)的雜質(zhì)礦物，如磁鐵礦；強(qiáng)磁場用來分離磁性較弱的雜質(zhì)礦物，如赤鐵礦、鈦鐵礦、石榴子石等。崔振紅等在提純最后階段采用強(qiáng)磁選工藝，可獲得SiO2含量為99.90%的高純石英砂。Yin等采用細(xì)粒磁鐵礦作為磁種，提高了微細(xì)粒赤鐵礦與石英反浮選的分選效率。Abukhadra等將金礦副產(chǎn)物石英經(jīng)草酸處理后，再經(jīng)過磁力磁選，可將石英中鐵含量降低到0.001%，SiO2含量可提高到99.9%。
浮選是根據(jù)礦物表面物理、化學(xué)性質(zhì)的差異從水的懸浮體（礦漿）中浮出固體礦物的選礦過程。石英礦物中常見的脈石礦物云母、高嶺土和長石等具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)，相對(duì)于其他的選礦方法，浮選可達(dá)到滿意的分選效果，浮選是從長石、云母等化學(xué)性質(zhì)相似的礦物中分離石英的主要方法。雷紹民等石英原礦經(jīng)過粉碎磨礦擦洗后，用陰離子捕收劑油酸鈉反浮選除去次生鐵，H2SO4調(diào)整礦漿pH，陽離子捕收劑混合胺和煤油浮選長石、云母等黏土礦物，該工藝將SiO2含量由98.6%提純到99.97%。劉寶貴以草酸作為pH調(diào)整劑、鹽酸十二胺作為陽離子捕收劑、合成捕收劑將西吉安石英礦的SiO2含量從94.04%提高到99.62%，將廣東石英礦的SiO2含量從97.46%提高到99.89%。
不同的石英礦物對(duì)雜質(zhì)含量要求不同，有時(shí)也采用其他的一些方法，例如超聲輔助、微生物浸出、熱壓浸出等，Li等利用微波的加熱特性使其形成微裂紋，在低于α-石英向β-石英轉(zhuǎn)變的相變溫度下，氣液夾雜物流出有利于酸浸，在最優(yōu)條件下，鐵含量由2.85×10-4降至1.67×10-7以下，鐵的最大去除率達(dá)到99.94%。若溫度較高，鐵易形成晶格取代，化學(xué)處理更難除去。Yang等提出了一種焙燒預(yù)處理與超聲輔助浸出相結(jié)合的工業(yè)石英鐵雜質(zhì)去除方法，SiO2含量可達(dá)99.9047%。用微生物浸出（黑曲霉、青霉、假單胞菌、多黏菌素桿菌等）可除去石英表面的薄膜鐵，黑曲霉菌浸出效果最佳，F(xiàn)e2O3的去除率多在75%以上，精礦Fe2O3的品位低達(dá)0.007%。熊康等表明熱壓過程導(dǎo)致石英晶格畸變，并易溶解晶格中的金屬雜質(zhì)離子，經(jīng)熱壓浸出純化后SiO2的含量為99.996%，F(xiàn)e、K、Na、Al雜質(zhì)元素去除率分別為98.32%、90.15%、57.08%、87.13%。
3、化學(xué)處理技術(shù)
與物理選礦相比，化學(xué)處理去除雜質(zhì)的效率更高，酸可在微裂縫和晶界內(nèi)深度滲透的優(yōu)勢可更好地處理包裹體和晶格類型的雜質(zhì)。酸洗、浸出和熱氯化是三種主要的化學(xué)處理工藝。酸洗和浸出對(duì)包裹體雜質(zhì)處理效果較好，而熱氯化可以清除較難處理的晶格雜質(zhì)。
酸洗是使用鹽酸或硫酸等溶解力較低的酸，而浸出則使用高溫的氫氟酸，以最有效地去除表面游離雜質(zhì)和富集在微裂紋和沿位錯(cuò)的雜質(zhì)。Lei等通過焙燒、氫氧化鈉浸出和混合酸（鹽酸、硝酸、氫氟酸）浸泡處理工藝后，可制備出99.991%的高純石英。Elghniji等將熱酸蝕刻法（濃硝酸、氫氟酸）引入到提純工藝中，高效地分離了石英和黏土礦物，將石英中的SiO2含量由91.25%提高到99.43%。Zhang等在900℃晶型轉(zhuǎn)變溫度焙燒4h，再經(jīng)過酸浸，β-石英含量高達(dá)94.7%，在200℃酸浸后鐵雜質(zhì)去除率達(dá)到98.7%，總雜質(zhì)去除率達(dá)到88.2%。
氯化焙燒工藝是去除石英晶格雜質(zhì)的有效方法，在1000至1200℃下，氯或氯化氫氣體使雜質(zhì)的金屬氧化物（Al2O3、Fe2O3、TiO2等）變?yōu)槁然飺]發(fā)排除。吳逍等以氯化銨為氯化劑，在600℃、180min條件下將石英砂的雜質(zhì)含量從1.53×10-4降低到3.107×10-5。
化學(xué)處理酸洗、浸出和熱氯化的效果明顯高于物理處理法磁選，尤其是在Fe、Na、K離子去除方面。與一般的礦物加工相比，高純石英砂提純具有如下特點(diǎn)：試劑要求純度高、腐蝕性強(qiáng)、設(shè)備容器影響大、粉塵污染大、安全要求高。
資料來源：《歐陽靜,陳廣,梁力行,等.石英礦物資源的提純及在戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)分析[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用,2021(06):35-45》，由【粉體技術(shù)網(wǎng)】編輯整理，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處！
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