高純石英砂是高科技行業(yè)關(guān)鍵性原料之一，對脈石英和花崗偉晶巖中的石英進行提純加工是制備高純石英砂的主要途徑，而高純石英礦物的特性是影響高純石英砂產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。美國尤尼明公司憑借北卡羅來納州Spruce Pine地區(qū)優(yōu)質(zhì)的花崗質(zhì)偉晶巖，持續(xù)壟斷著純度達到4N8級（99.998%）以上的國際高端高純石英砂市場。我國是高純石英消費大國，但高端產(chǎn)品長期依賴進口。因此，尋找礦石質(zhì)量好、品質(zhì)穩(wěn)定、礦體規(guī)模大的高純石英礦床具有重要的經(jīng)濟意義。
最近，在河南東秦嶺-大別造山帶出露的花崗偉晶巖中發(fā)現(xiàn)了高純度石英自然礦物（圖1），經(jīng)河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局與中國科學院地球化學研究所聯(lián)合攻關(guān)研究和野外查證，認為石英礦物賦存的花崗偉晶巖類型與美國北卡羅來納州Spruce Pine花崗偉晶巖相近（圖1），巖石造巖礦物組合簡單，除石英外，其他礦物主要為長石和少量白云母。石英顆粒中少有氣液相包裹體，雜質(zhì)元素Al、Fe、Ti、Ca、Mg等含量較少，礦物的其他基本特征與國外制備超高純石英砂原料十分相似。
1、礦石分析
為了使高純石英礦物達到超高純石英程度，將優(yōu)選礦石在850℃下煅燒2h后立即水淬，經(jīng)顎式破碎機破碎后以瑪瑙介質(zhì)球磨，得到0.200~0.355mm、0.110~0.200mm、0.074~0.110mm 3個粒級的石英砂，15000 Oe磁選后進行超聲清洗處理。對0.074~0.110mm粒級石英砂反浮選提純，在0.5L掛槽浮選機內(nèi)進行，保持礦漿質(zhì)量分數(shù)為20%，用稀硫酸調(diào)整pH值為1.5~3.5，調(diào)漿3min后，加入一定量的捕收劑丙撐二胺，浮選時間為5min。浮選后用去離子水洗凈石英砂表面殘余藥劑，烘干獲得浮選精砂。用熱混酸（硫酸∶鹽酸∶硝酸=3∶1∶1，溫度90℃，酸浸時間8h）處理浮選精砂去除殘余白云母、氧化鐵膜和包裹體等雜質(zhì)。經(jīng)鑒定，精礦純度達到4N級（99.99%）以上。
河南省東秦嶺-大別造山帶花崗偉晶巖類型主要為中粗粒白云母型花崗偉晶巖，一般規(guī)模較大，從幾百米到千余米，寬從幾米到幾十米；以脈狀為主，其次有板狀、透鏡狀及不規(guī)則狀，具分枝復合、尖滅再現(xiàn)特點，有的局部收縮或膨脹。如盧氏縣官坡一帶的偉晶巖脈展布多受構(gòu)造裂隙制約，呈北西-南東向成群平行分布，中部巖脈密集，兩端稀少。偉晶巖脈侵位于秦嶺群黑云斜長片麻巖中。
野外查證了兩條含高純石英花崗偉晶巖脈，巖石類型均為白云母花崗偉晶巖。Ⅰ號花崗偉晶巖脈寬約5m，出露長約400m，走向約300°，傾角60°，沿其走向可見局部呈透鏡狀，圍巖為斜長角閃片巖，片理化明顯，脈體由白云母石英花崗偉晶巖組成（圖1），礦物組成主要為石英（70%~75%）它形粒狀、白云母（20%）片狀或厚層狀、鉀長石（7%~9%）半自形-自形柱狀、斜長石（6%~8%）半自形板狀及少量電氣石。石英呈灰白色、半透明、油脂光澤，粒徑0.2~4.0cm，具波狀消光（樣號Q01），礦物特征在外觀上與Spruce Pine地區(qū)花崗偉晶巖十分相似（圖1）。
Ⅱ號花崗偉晶巖脈寬10~40m，走向150°，沿地表出露長約450m，圍巖為斜長角閃片巖。巖石以含白云母花崗偉晶巖為主，呈白色，花崗結(jié)構(gòu)（樣號Q02）。巖石中礦物組成主要包括斜長石（50%~55%，主要為鈉長石）、石英（40%~45%）、白云母（4%~6%）。石英呈它形粒狀，粒徑0.05~4.0cm，具強烈波狀消光。偉晶巖脈與圍巖接觸部位石英顆粒呈細粒狀，直徑約0.2~0.4cm，白云母呈片狀，礦物的粒徑2~5cm。巖脈內(nèi)部的石英顆粒和云母明顯變大，石英呈灰白色，透明-半透明，油脂光澤，直徑2~5cm不等，白云母片徑3~10cm不等。巖脈邊部和圍巖交界部位可見充填石英細脈，寬5~10cm不等，呈淺灰白色（樣號Q02）。
除了常規(guī)巖石化學分析外，重點分析了制約高純石英質(zhì)量的Al、Fe、K、Ti、Ca、Mg、Li雜質(zhì)元素的含量。測試分析使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（制樣方法為酸溶法），分析結(jié)果顯示，Q01、Q02樣品中Al、Fe、K、Ti、Ca、Mg6種主要雜質(zhì)元素的初始含量均低于Spruce Pine地區(qū)的花崗偉晶巖，初始Al含量尤其低（表1）。石英中雜質(zhì)元素的初始含量較低，具有較高的提純潛力。
制約高純石英質(zhì)量的另一個因素是石英中的包裹體和晶格內(nèi)雜質(zhì)。巖石礦物測試分析結(jié)果顯示，石英均成它形粒狀，粒徑0.05~4.0mm不等。石英顆粒均為透明度較高的灰色，具有強油脂光澤，雜質(zhì)混溶礦物極少。石英顆粒中流體包裹體含量遠低于國內(nèi)脈石英中的流體包裹體含量（圖2）。通過礦物浮選結(jié)果對比，石英原砂、浮選精砂和浮選尾砂具有明顯的區(qū)別（圖3），其中浮選精砂具有雜質(zhì)元素含量低和雜質(zhì)包裹體較少的特點，選礦實驗流程的經(jīng)濟計算結(jié)果也顯示成本較低。由此認為，這些賦存于花崗偉晶巖中石英礦物通過系列的選礦和提純，有可能成為生產(chǎn)高純石英砂的原料。
巖石礦物組合以及石英礦物的結(jié)構(gòu)狀態(tài)是影響選礦可行性的重要指標。研究顯示，巖石中主要礦物成分均為斜長石和石英，次要礦物為白云母和鉀長石，黑云母含量很少。對樣品進行浮選，分離出石英礦物（圖3）。對分離后精砂進行“熱混酸”酸浸處理獲得精礦，石英砂純度均達到了4N級（99.99%）以上（圖4）。實驗樣品與美國尤尼明公司產(chǎn)出的IOTA超高純石英砂產(chǎn)品相比，Al、Ti、Fe、Na元素相對較高，而P、B、等元素接近了IOTA系列標準。與挪威Crystallites AS公司HPQ石英砂相比，Q02樣品雜質(zhì)含量，除Na元素略高之外，其他雜質(zhì)含量均低于HPQ石英砂（表2）。
2、討論與結(jié)論
?。?）高純度自然石英的形成受制于特定的地質(zhì)環(huán)境，是一種稀缺的礦產(chǎn)資源。雖然石英是自然界最豐富的礦物之一，但高純石英作為一種雜質(zhì)含量極低的礦物，只有在特定的物理化學條件和極端地質(zhì)條件下才能形成，由此只有為數(shù)不多的石英礦床能夠為高純石英的加工提供原材料。我國石英資源儲量豐富，多為石英巖、石英砂巖和脈石英，但是能制備高純石英高端產(chǎn)品的比例極低，導致國內(nèi)高純石英砂生產(chǎn)企業(yè)嚴重依賴進口。在河南東秦嶺-大別造山帶所發(fā)現(xiàn)的可制備高純度石英砂的花崗偉晶巖，呈巖脈產(chǎn)出，脈體規(guī)模大，巖石類型和石英礦物的結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征類似于Spruce Pine花崗偉晶巖，并且其全巖石英礦物含量（40%~45%）大于后者（25%~35%），有望開發(fā)成為制備高純石英砂的原材料基地。
?。?）高純石英砂是現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)原材料，其質(zhì)量優(yōu)劣不僅受制于原料中雜質(zhì)元素含量高低，更重要的是與原料工藝礦物學特征所決定的雜質(zhì)可選性有關(guān)，亦即石英原料中流體雜質(zhì)和元素雜質(zhì)的含量是高純石英成品質(zhì)量的重要影響因素之一。對于高純石英原料來講，包裹體類型和含量都對高純石英砂的品質(zhì)有顯著影響，一方面構(gòu)成了雜質(zhì)元素的主要來源，另一方面也將改變石英工業(yè)原料的熔融行為。我國對以石英礦物為原料制備高純石英砂的相關(guān)研究起步晚，其關(guān)鍵技術(shù)被國外長期壟斷。我們通過初步的研究認為，Q01和Q02樣品的流體包裹體含量遠低于國內(nèi)常用的脈石英提純的石英砂中的流體包裹體含量，有可能成為生產(chǎn)高純高質(zhì)量的石英砂的原料。經(jīng)過加工的高純石英砂也顯示，其質(zhì)量已經(jīng)超越了挪威Crystallites AS公司HPQ石英砂的質(zhì)量標準，而原材料中石英礦物的Al、Fe、Ti、Ca、Mg等主要雜質(zhì)的含量低于美國Unimin公司原料礦產(chǎn)地，加大石英提純加工技術(shù)的研究力度，精礦純度有可能達到5N級以上。
（3）河南東秦嶺-大別造山帶已發(fā)現(xiàn)花崗偉晶巖脈近7000條，平均密度約為86條/km2，中大型偉晶巖脈近400條，東秦嶺-大別山造山帶高純石英工業(yè)礦床方面具有重大的找礦潛力。最近發(fā)現(xiàn)的自然高純度石英礦物，其原材料主要的雜質(zhì)含量低于美國Unimin公司原料礦產(chǎn)地，可以通過浮選和提純程序進一步制備高純石英砂，初步實驗即得到了達到國際標準的高純石英砂樣品。若進一步通過關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，優(yōu)化加工、分離、浮選、除雜、提純工藝流程，有望突破高純石英高端產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)瓶頸。
資料來源：《趙金洲,張馳,張森森,等.東秦嶺花崗偉晶巖中高純石英礦物的可利用性研究[J].礦物巖石地球化學通報:2021》，由【粉體技術(shù)網(wǎng)】編輯整理，轉(zhuǎn)載請注明出處！
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