石英砂的加工技术及应用研究 胡一／文 Ｉ摘要】石英砂是石英石经破碎加工而成的石英颗粒，石英石是一种非金属矿物质，是一种坚硬， 耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物。石英砂是重要的工业矿物原料，非化学危险品，广泛用于玻璃， 铸造、陶瓷及防火材料等工业。作为重要的工业原料，其生产加工技术值得深入的学习研究。 Ｉ关键词】石英砂；石英砂加工技术；石英砂应用 引言 石英砂作为硅原料的核心原料在硅 产品中发挥着越来越重要的作用。如 器、军工技术产品、特种光学玻璃、化 原料的生产与供应中起着不可替代的重 ＩＴ行业的核心技术产——计算机芯片、 要基础作用。它所具有的独特的物理、 学分析仪器等等，都离不开这些基础原 光导纤维、电子产业的谐振器、新型电 料。 化学、光学特性，使得其在许多高科技 光源、高绝缘的封接材料、航空航天仪 １．石英砂概述 １．１石英砂简介 产石英砂（又称硅砂）的原料，也是石 壳状断口，油脂光泽，密度为２．６５， 石英是一种物理性质和化学性质均 英耐火材料和烧制硅铁的原料。石英化 其化学、热学和机械性能具有明显的异 十分稳定的矿产资源，晶体属三方晶系 学式为ＳｉＯ ，常含有少量杂质成分如 向性，不溶于酸，微溶于ＫＯＨ溶液， 的氧化物矿物，即低温石英（ａ一石英）， Ａ１２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ等“ 。 是石英族矿物中分布最广的一个矿物 种。 石英砂是一种坚硬、耐磨、化学性 熔点１７５０￣。 １．２石英砂分类 能稳定的硅酸盐矿物，其主要矿物成分 工业上的分类：普通石英砂、精制 广义的石英还包括高温石英（ｂ一 是ＳｉＯ：，石英砂的颜色为乳白色、或无 石英砂、高纯石英砂、熔融石英砂、硅 石英）。石英块又名硅石，主要是生 色半透明状，硬度７，性脆无解理，贝 微粉。 一 Ｉ中国粉体工业２０３７ Ｎｏ．４ 类型 普通石英砂 精制石英砂 ＳｉＯ２ ９０％～９９％ ９０％～９９．５％ Ｆｅ２Ｏ３ ０．Ｏ２％～０．０６％ ０．０１５％～０．Ｏ２％ 粒度范围 ５～２２０ ５～４８０ ｌ～０．５ｍｍ 其他特征 高纯石英砂 ９９．５％～９９．９％ ≤０．Ｏ０１％ ０．５～０．１ ｍｍ ０．１～０．Ｏ１ ｍｍ ０．０ｌ～０．００５ ｍｍ Ｌｉ２０ １——２ ＰＰＭ 熔融石英砂 ９９．９％～９９．９％ ５ ＰＰＭ～２５ ＰＰＭ Ａｌ２Ｏ３ ２０～３０ ＰＰＭ Ｋ２０ ２０～２５ ＰＰＭ Ｎａ２Ｏ １０——２０ ＰＰＭ １．３部分石英砂使用标准 原料品质 普通 高纯 杂质总量×１０ Ａｌ Ｆｅ 无杂质成分 Ｂ 碱金属 碱土金属 应用范围 １５０～５Ｏ ＜３Ｏ ＜１５ Ｘ １０ ＜１．５×１０ 无具体要求 ＜０．５×１０ ＜４ Ｘ ｌＯ ＜４×１０ 电光源 电子石英、光纤 管 超高纯 ＜１０ ＜３ Ｘ １０一 ＜０．１×１０ ＜０．１×１０ ＜０．５ Ｘ１０ ＜１ Ｘ ｌ０一 光学应用 石英玻璃原料的一般工业要求： ０．５ ｍｍ和小于０．１ ｍｍ的粒度均不得 ｍｍ的不超过５％。硅砂粒度过粗，熔 世界各国对玻璃用英砂的粒度控制 超过５％。我国熔制玻璃的硅砂粒度控 融困难；粒度过细，又容易结成团块，不完全相同，但一般认为颗粒度最适宜 制在０．１～０．７５ ｎｍ，其中０．２５～０．５ 使配料不容易拌匀，而影响玻璃质量。 的范围在０．５～０．１ ｍｍ之间，大于 ｍｍ的粒度不应少于９０％，小于０．１ 矿石品级 ＳｉＯ２ Ａｌ２Ｏ３ 主要化学成分要求，％ Ｆｅ２０３ ＴｉＯ３ ＣｒＯ３ 备注 特种玻璃 工业技术玻璃 一般平板玻璃 玻璃器皿等 一般玻璃器皿 瓶罐玻璃 平板玻璃 器皿玻璃 Ｉ Ⅱ Ⅲ Ｉ Ⅱ Ⅲ ＞９９ ＞９８ ＞９６ ＞９９ ＞９８ ＞９０ ＜０．５ ＜１．０ ＜２．０ ＜１．Ｏ ＜２．０ ＜４．０ ＜０．０５ ＜０．１ ＜０．１ ＜０．０５ ＜０．１ ＜Ｏ．３５ ＜０．５ ＜Ｏ．５ 中国平板玻璃和器皿玻璃的一般技 硅砂质量要求很高，一般采用 片和炼制光纤通信用的高级石英玻璃纤 术指标要求： ＳｉＯ２≥９９．９２％，Ｆｅ２Ｏ３＜０．００３％的精 维。 光学玻璃和光通玻璃纤维对 制砂和高硅砂制作各种中、高级光学镜 原砂类型 等符号 １ｓ ２ｓ 泥率，％ ≤２ ≤２ ≤２ ≤２ ｓｉｏ２，％ ≥９７ ≥９６ ≥９４ ≥９０ Ｋ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ，％ ≤Ｏ．５ ≤１．５ ≤２．０ ●●●●●● ＣａＯ＋ＭｇＯ，％ ≤１．０ ≤１．５ ≤２．０ ＿●●●●＿ Ｆｅ２０３，％ ≤０．７５ ≤１．０ ≤１．５ ●●●●●● 石英砂 ３ｓ ４ｓ ｌｓｃ ≤２ ≤２ ≥８５ ≥８５ 石英一长石砂 ２ｓｃ 铸造型砂工业要求： 制石英砂。普通铸钢件要求石英砂质量 固体泡花碱主要在炼制石油工业中 利用硅砂高熔点特性制成铸钢件的 稍低。 砂蕊。根据铸钢件大小及精密度的要求 作催化剂。要求石英砂中ｓｉｏ：＞９９％， 其他，在化工产品中利用石英砂含 Ｆｅ２Ｏ３＜０．０３％，粒度２０～４０目，颗 不同，可使用４０～３２０目各种规格的 硅高和化学稳定性制取泡花碱。固体泡 粒度合格率大于７５％。石英砂。一般多用ＳｉＯ２≥９９．５％的精 花碱中，石英用量约占６０％。 液体泡花碱主要作为纸箱用的粘合 中国粉体工业２０１７ Ｎｏ．４ Ｉ ■ 剂和肥皂、洗衣粉等，按它们的用途 也不完全相同，一般可使用２０～３２０ Ｆｅ Ｏ，＜０．２％，颗粒度合格率＞８０％。 和生产工艺不同，对石英砂的质量要求 目各种规格石英砂，要求ＳｉＯ ＞９８％， ２．石英砂的生产工艺 ２．１物理法加工石英砂 物理方法主要是水洗和分级脱泥、 ８０％，棒磨擦洗几乎是机械擦洗的两倍， 后，酸又能与溶液中的杂质离子形成配 但是对于提纯高纯度的石英砂，它也只 位化合物，使溶液中的杂质离子进一步 擦洗、磁选和浮选法等。 ２．１．１水洗和分级脱泥 这种方法主要是针对含有大量粘土 矿物的石英砂。 因为随着石英砂颗粒变细，其中 ＳｉＯ：的品位随之降低，而铁质和铝质等 杂质矿物的品位反而升高，所以在入选 前对石英砂原矿进行水选、分级脱泥非 常必要，并且效果也较为明显 。 它只是作为一种矿石入选前的预处 理方法，应用得较早也很普遍，但对于 存在于石英砂表面的薄膜铁和粘连性杂 质矿物，其脱除效果尚不显著。 ２．１．２擦洗 擦洗是借助机械力和砂粒间的磨剥 力来除去石英砂表面的薄膜铁、粘结及 泥性杂质矿物和进一步擦碎未成单体的 矿物集合体，再经分级作业达到石英砂 进一步提纯的效果。 目前，主要有棒磨擦洗和机械擦洗 两种方法。 对于机械擦洗，其相关机械设备的 结构和配置以及工艺流程中的擦洗时间 和擦洗浓度都是影响擦洗效果的主要因 素。 由于影响它的因素太多，使机械擦 洗的回收率很低，只有约４０％，所以机 械擦洗的效果不太理想。相对于机械擦 洗，棒磨擦洗的效果要比它好得多。 在棒磨擦洗工艺中，加入适当的药 剂，增大杂质矿物和石英颗粒表面的 电斥力，增强杂质矿物与石英颗粒相互 间的分离效果，使擦洗的回收率提高到 ■ ｌ中国粉体工业２０１７ Ｎｏ．４ 是对矿石预处理的一种方法。 ２．１．３磁选 磁选法可以最大限度地去除石英砂 颗粒内含有的杂质。 以赤铁矿、褐铁矿和黑云母等为主 的弱磁性杂质矿物和以磁铁矿为主的强 磁性矿物。 对于强磁性杂质的矿物常采用弱磁 机或者是中磁机进行磁选。 一般来说，磁选次数和磁场强度对 磁选除铁效果有重要影响，随磁选次数 的增加，含铁量逐渐减少。 而在一定的磁场强度下可除去大部 分的铁质，但此后磁场强度即使提高很 多，除铁率也无多大变化。 另外，石英砂粒度越细，除铁效果 越好，其原因是细粒石英砂中含铁杂质 矿物量高的缘故。 ２．１．４浮选 浮选是为了除去石英砂中长石、云 母等非磁性伴生杂质矿物。目前主要有 有氟浮选和无氟浮选两种方法。 有氟浮选是采用阳离子捕收剂和 氢氟酸活化剂在酸性ｐＨ值范围内进行 的。 但是考虑到含氟废水对环境的严重 影响，人们开始转向无氟浮选。 ２．２化学法加工石英砂 化学方法主要是酸浸法和络合法， 酸浸法是利用石英不溶于酸（ＨＦ除外）， 其他杂质矿物能被酸液溶解的特点，从 而可以实现对石英的进一步提纯。 络合法是利用石英粉在经过酸浸 去除。 酸浸法又分为单酸浸法和混合酸浸 法。酸浸法常用酸类有硫酸、盐酸、硝 酸和氢氟酸。络合法常用的酸类主要是 草酸和醋酸。 ２．２．１单酸漫法 将一定量的石英砂置于一定浓度的 酸溶液中，加热到一定温度，加热适当 的时间，将酸溶液回收，石英砂经洗涤、 干燥即可。 ２．２．２络合法 络合法是将一种中等强度的有机 酸，与石英砂表面的杂质发生反应，且 还能与反应后的杂质离子形成稳定的配 位化合物。 此法降低了杂质离子在颗粒表面的 浓度，同时也防止离子在洗涤过程中产 生沉淀，使石英砂中杂质含量进一步降 低。 Ｐａｎｉａｓ等 将平均粒径２０ ｍ含 铁量为１１０×１０ 的石英砂，称取一定 量置于草酸溶液中，在加热至８０￣Ｃ下， 处理时间为３ｈ，可以溶解含铁矿物。 在酸性溶液中只能以Ｆｅ 形式存 在，Ｆｅ抖再与草酸形成稳定的螯合物。 其除铁率在８０％～１００％之间， 经过处理后，石英砂中含铁量低于 １０×ｌ０一。 ２．２．３混合酸浸法 由于每一种酸对石英砂中杂质的去 除效果不同，不同的酸混合在一起，产 生协同效应，使石英砂中杂质的去除率 更高，可以获得纯度更高的石英砂。 将水洗后的石英砂加入到混合酸液 间为２４ｈ，若在加热的条件下，采用搅 燥即可。Ⅲ 中，在常温下，间隙搅拌浸出，一般时 拌浸出，时间一般为２～６ｈ，洗涤干 ２．３其他方法 其他 ｒ 微生物法 静电提纯技术 — 辐射提纯技术 ３．石英砂的应用 石英砂所具有的独特的物理化学特 火材料，冶炼硅铁，冶金熔剂，陶瓷， 滤后水的水质比双层滤料滤池的水质为 性，使得其在航空、航天、电子、机械 研磨材料，铸造，石英产品在建筑中利 好。在使用石英砂的时候，尽量配合使用。 以及当今飞速发展的ＩＴ产业中占有举 用其有很强的抗酸性介质浸蚀能力，用 我国绝大多数污水处理厂执行的是 足轻重的地位，特别是其内在分子链结 来制取耐酸混凝土及耐酸砂浆。 城镇污水处理厂污染物排放标准》中 构、晶体形状和晶格变化规律，使其具 水处理滤料：由于三层滤料滤床的 的一级Ｂ标准，而执行一级Ａ标准可 有的耐高温、热膨胀系数小、高度绝缘、 石英砂粒径比双层滤料的石英砂粒小， 以较大限度地对污水进行“除磷脱氮”， 耐腐蚀、压电效应、谐振效应以及其独 且石英砂层之下还有一层更细的重质无 减少对后续受纳水体的污染，出水可作 特的光学特性，在许多高科技产品中发 烟煤滤料，所以在其他条件相同，甚至 为回用水，解决我国部分地区水资源紧 挥着越来越重要。用途：制造玻璃，耐 滤速高一些的情况下，三层滤料滤池的 缺的问题。 ４．总结 石英砂是重要的工业原材料，其生 有少数企业，行业技术壁垒较高。 国内需求市场空间更大，但不断提高自 产制备工艺面临众多困难，尤其是高纯 国内外企业适应制品生产技术差别 身的技术水平，向高端石英砂产品方向 石英砂是应用最为广泛的原材料，但提 很多，国内主要生产中低端产品。随着 发展。 纯技术复杂，目前全球掌握此技术的只 市场的发展，石英砂的应用日趋广泛， 参考文献： …１汪本高，安莲荚。纂春阉．石美砂提纯工艺及表面改性研究【Ｊ】．成都理工大学，２０１３． 【２】中保磊．郑水椿，张殿湖．高纯石英砂发展现状与趋势【Ｊ】．中国非金属矿工业导刊，２０１２． 【３】中士富．高纯石英砂研究与生产现状【Ｊ】．中固非金属工业导刊，２００６． 【４】郑罩虹，孙颜州，杨文雁，朱伟长，闫勇．石英砂提地方法研究【ＪＪ．中国非金属矿工业导刊，】２００８ ｆ５】刘文洁，范阳平，冰，李娜．石英砂尾矿在涂料中的应用研究【ＪＪ．大众科技，】２０１１． 【６】李满，赵磊，钟振垄．改性石英砂选料在水处理中的应用【Ｊ］．水科学与工程技术，２００７． 中国粉体工业２０１７ Ｎｏ．４ ｌ ■
