絹云母石英片巖浮選尾砂提純工藝研究

韓京增，靳亞闌，王 倩，高樹學，董連委，高繼輝

(中國建筑材料工業地質勘查中心山東總隊，山東 濟南 250100)

高純石英因其獨特的物理化學特性已成為諸多尖端領域的關鍵性基礎原料之一，也是附加值最高的應用領域[1-3]。我國石英原料的礦石類型雖然廣泛，礦石類型多樣且資源豐富，但可用于制備高純石英砂的探明資源量匱乏，高純石英原料礦床極為稀缺。高純石英所含雜質的特征是影響高純石英提純的關鍵因素，其成礦溫度和壓力等是影響其最終產品質量的決定性因素[1]。

雜質元素對高純石英產品的質量影響很大，不同礦物類型中雜質的賦存特征及含量不同，其采用的提純工藝也不同[1]。石英晶格中氣液包裹體類雜質、類質同象類雜質采用物理法提純無法去除，需要進行化學法深度提純[4-8]。

長期以來中國高純石英高端產品和生產技術被國外壟斷和封鎖，加快推進我國高純石英砂制備關鍵技術的自主化和國產化迫在眉睫。本研究以當前低品級石英砂為原料，通過熔解-中和-灼燒的相變提純工藝可獲得純度為99.9%高純石英粉，可以快速緩解生產高純石英砂的優質原料短缺問題，同時可以解決現有石英提純工藝的不足，突破石英提純的技術壁壘。

1 礦區地質特征

山東沂水汞丹山地區大地構造位置位于華北陸塊，魯西隆起區，沂沭斷裂帶的汞丹山凸起中，出露地層由下而上為新太古代泰山巖群、新元古代震旦-南華紀土門群石旺莊組、古生代寒武紀長清群、中生代白堊紀青山群、新生代新近紀臨朐群牛山組、第四系。區域內巖漿巖分布廣泛，發育有新太古代五臺期、呂梁期和中元古代四堡期巖漿巖。

該地區絹云母石英片巖為動力變質巖，賦存于汞丹山地壘呂梁期峨山口韌性變形帶中，其成因與該區構造應力有關，在區域北北東向左行平移應力作用下，巖塊間發生相對移動，使原巖礦物發生韌性變形、破損、重結晶。較穩定的礦物在已變形的巖石中有利于重結晶，已磨碎的礦物晶體重新結合或重結晶加大。絹云母石英片巖主要礦物成分石英(含量40%～50%)，其次為絹云母(含量15%～30%)、微斜長石(含量10%～20%)、斜長石(含量<5%)，零星可見磷灰石。

2 樣品特征

2.1 樣品來源

本研究以山東沂水縣汞丹山地區絹云母石英片巖經預先脫泥浮選云母后獲得的石英尾砂為原料，探索制備高純石英粉的提純工藝。該地區絹云母石英片巖中長石、云母和粘土礦物等含量較高，在粒度為-0.5mm時，采用預先脫泥浮選工藝得到云母精礦后，浮選石英尾砂中一般仍含有5%～10%的雜質。雜質的主要礦物成分為云母、長石、土屑等。繼續采用物理方法已難以去除其中的雜質成分而獲得高純石英粉，尤其是其中的氣液包裹體類雜質和類質同象類雜質。

2.2 工藝礦物學研究

據礦石工藝礦物學研究結果，該礦區礦石主要礦物成分為石英，其次為云母、長石和土屑等。

石英：含量92.69%，無色、白色極少，棱角-次棱角塊狀、集合體狀少，透明，玻璃光澤，高硬度，粒徑0.02mm～1.0mm。

長石：含量4.3%，白色、肉粉色少，棱角-次棱角塊狀、次棱角板狀，半透明-微透明，玻璃光澤，高硬度，粒徑0.02mm～0.8mm。

云母：含量0.9%，無色、淺黃色(少、有鐵染)，層狀、片狀，透明，珍珠光澤，低硬度，粒徑0.02mm～0.5mm。

其他：含量3.0%，土屑(絹云母和長英質集合體)為主、電氣石少、蝕變礦物少。

2.3 化學成分

沂水汞丹山地區絹云母石英片巖浮選所得石英尾砂主要化學成分分析結果見表1。經浮選云母后所得的石英尾砂主要成分為SiO2，含量92.33%；其次Fe2O3、Al2O3、K2O、Na2O等，其含量之和為6.76%；CaO、MgO等其他化學成分含量甚微。

表1 石英尾砂主要化學成分分析結果Tab 1. Analysis Results of The Main Chemical Components of Quartz Tailings

3 原則流程

在原料配比、熔解、中和團聚、灼燒等條件試驗基礎上，確定絹云母石英片巖浮選尾砂提純工藝原則流程見圖1。

圖1 石英尾砂提純工藝原則流程Fig 1. Principle and Process Flow of Quartz Tailings Purification Process

4 試驗過程與結果

4.1 原料配比

將石英尾砂與NaOH按照質量比1：2、1：3、1：4、1：5、1：6、1：7充分混合均勻，在700℃溫度下進行熔解，探索石英尾砂堿熔的最佳原料配比。

實驗過程中發現，當石英尾砂與NaOH按照質量比在1：4以下時，石英尾砂不能熔解完全，有殘渣。石英尾砂與NaOH混合熔解時，二者質量比達1：4以上時，方可實現石英尾砂完全熔解，熔液清亮無殘渣。因此，原料配比是石英尾砂能否實現徹底熔解的關鍵因素之一。從確保熔解充分的角度考慮，確定石英尾砂與NaOH最佳質量比為1：4～1：6。圖2。

4.2 熔解試驗

石英尾砂與NaOH混合熔解是使石英尾砂中SiO2與NaOH反應形成硅酸鈉，從而打破SiO2晶格內化學鍵，使晶格內雜質元素釋放到溶液中，石英尾砂由固相轉變為液相。

在石英尾砂與NaOH質量比1：4～1：6的配比條件下，進行熔解溫度500℃、550℃、600℃、650℃、700℃和750℃的熔解溫度條件實驗。由圖3可知，隨著熔解溫度升高，所得高純石英的產率和回收率同步提高明顯。解溫度低于600℃時，石英尾砂不能夠被完全熔解，導致所得高純石英粉產率和回收率均低于90%。當溶解溫度達到650℃后，高純石英的產率和回收率基本不再提高，石英尾砂完全熔解，熔液清亮無殘渣，因此確定最佳溶解溫度為650℃。熔解溫度亦是石英尾砂能否熔解完全的又一關鍵因素。

4.3 中和團聚試驗

熔解后熔液冷卻后，加入過量鹽酸中和NaOH，并調整pH值到6以下，使硅酸根離子轉變為硅酸，再添加團聚劑將析出的硅酸進行團聚。硅由液相轉變為固相，再通過固液分離，使團聚后的硅酸與溶液中雜質實現徹底分離。團聚劑用量試驗結果見圖4。

圖4 團聚劑用量試驗Fig 4. Agglomerating Agent Dosage Test

團聚劑的用量不大，但對于高純石英粉的產率和回收率，以及固液分離效果卻有很大影響。由圖4可知，隨著團聚劑用量增加，所得高純石英粉的產率和回收率逐漸提高；當團聚劑用量低于0.2%(相對于石英尾砂)時，由于用量不足無法團聚生成的全部硅酸而使產率有所損失、回收率偏低。而團聚劑用量過多，導致固液分離時過濾速度過慢，但并不能提高高純石英粉的產率和回收率。因此確定團聚劑適宜用量為0.2%(相對于石英尾砂)。

4.4 灼燒試驗

灼燒是將固液分離所得的稠狀硅酸脫水和高溫分解產生高純石英粉。溫度較低時，硅酸逐漸被烘干而脫水。硅酸脫水后，在高溫條件下持續加熱可分解生成SiO2。實驗過程發現，700℃高溫灼燒時，硅酸即可由稠狀逐漸變為干塊狀，連續灼燒30min后可使硅酸分解為SiO2和水，從而得到純度為99.9%粉末狀高純石英粉。

5 結 論

(1)利用絹云母石英片巖經預先脫泥浮選云母后獲得石英尾砂為原料可提純制備高純石英粉。

(2)原料配比和熔融溫度是實現石英尾砂提純的兩大關鍵因素。采用石英尾砂與NaOH質量比1：4～1：6進行熔解、中和至pH值至6以下、團聚劑用量0.2%、700℃灼燒30min的提純工藝，可獲得高純石英粉產率92%，SiO2純度99.9%的良好指標。

(3)采用本文研究的提純工藝，通過使石英尾砂及其中的雜質由固相轉變為液相，再通過中和調整pH和團聚作用使SiO2再由液相轉變為固相，借助化學反應打破SiO2晶格內Si和雜質元素之間的化學鍵，使石英晶格中采用物理法提純無法去除的氣液包裹體類和類質同象類等雜質轉移到熔液中，再通過固液分離使其得以有效去除即可獲得高純石英粉。