摘要：本文綜述了幾種石英砂的物理化學提純方法，包括擦洗法、磁選法、浮選法、超聲波法、酸浸法、絡合法等，提出了國內(nèi)石英砂提純方法的發(fā)展方向。

高純二氧化硅是一類較為重要的光電子材料，廣泛應用于半導體、光纖通訊、激光和航天等高技術領域。隨著這些領域的迅速發(fā)展，對高純二氧化硅中雜質(zhì)含量的要求更為嚴格，對高純二氧化硅的需求量亦日益增加。目前我國所需的高純二氧化硅大部分依賴進口。

因此，采用石英砂提純技術，獲得高純二氧化硅，是滿足我國高技術領域?qū)Ω呒児栊枨蟮挠行�途徑，對促進我國國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要的意義。目前提純石英砂的主要方法可以分為物理方法和化學方法兩種。

1、物理方法

物理方法主要是水洗和分級脫泥、擦洗、磁選、浮選和超聲波法。

1.1 水洗和分級脫泥

這種方法主要是針對含有大量粘土礦物的石英砂。因為隨著石英砂顆粒變細，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，所以在入選前對石英砂原礦進行水選、分級脫泥非常必要，并且效果也較為明顯。它只是作為一種礦石入選前的預處理方法，應用得較早也很普遍，但對于存在于石英砂表面的薄膜鐵和粘連性雜質(zhì)礦物，其脫除效果尚不明顯。

1.2 擦洗

擦洗是借助機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)礦物和進一步擦碎未成單體的礦物集合體，再經(jīng)分級作業(yè)達到石英砂進一步提純的效果。

目前，主要有棒磨擦洗和機械擦洗二種方法。

對于機械擦洗，其相關機械設備的結(jié)構(gòu)和配置以及工藝流程中的擦洗時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，使機械擦洗的回收率很低，只有約40%，所以機械擦洗的效果不太理想。

相對于機械擦洗，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?shù)乃巹�，增加雜質(zhì)礦物和石英顆粒表面的電斥力，增強雜質(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%，棒磨擦洗幾乎是機械擦洗的兩倍，但是對于提純高純度的石英砂，它也只是對礦石預處理的一種方法。

1.3 磁選

磁選法可以較大限度的去除石英砂顆粒內(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磁性礦物。對于弱磁性雜質(zhì)礦物常選用在100000e以上的強磁機，對于強磁性雜質(zhì)的礦物常采用弱磁機或者是中磁機進行磁選。一般來說，磁選次數(shù)和磁場強度對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；而在一定的磁場強度下可除去大部分的鐵質(zhì)，但此后磁場強度即使提高很多，除鐵率也無多大變化。另外，石英砂粒度越細，除鐵效果越好，其原因是細粒石英砂中含鐵雜質(zhì)礦物量高的緣故。

在高純石英砂的提純工藝研究進行了實驗研究，結(jié)果表明，隨磁場強度的增加，雜質(zhì)的脫除率上升，磁場強度達到100000e以后，雜質(zhì)的脫除率增加不明顯。因此適宜的磁場強度應為100000e。經(jīng)磁選后，40目SiO₂品位可達99.05%，F(xiàn)e₂O₃含量為0.071%；40-80目SiO₂品位為99.09%，F(xiàn)e₂O₃含量0.070%；80-140目SiO₂品位99.14%，F(xiàn)e₂O₃含量0.067%；140-200目SiO₂品位99.10%，F(xiàn)e₂O₃含量0.069%。但是石英砂中含雜質(zhì)較多時，特別是含有較多的弱磁性或非磁性的雜質(zhì)時，僅采用磁選是不能提純成高純石英砂的。

1.4 浮選

浮選是為了除去石英砂中長石、云母等非磁性伴生雜質(zhì)礦物。目前主要有有氟浮選和無氟浮選兩種方法。

有氟浮選是采用陽離子捕收劑和氫氟酸活化劑在酸性pH值范圍內(nèi)進行的。但是考慮到含氟廢水對環(huán)境的嚴重影響，人們開始轉(zhuǎn)向無氟浮選。利用石英、長石結(jié)構(gòu)構(gòu)成的差異，合理調(diào)配陰陽離子混合捕收劑的配比及用量，利用他們Zeta電位的不同，優(yōu)先浮選出長石，實現(xiàn)二者的分離。

有文獻報道，在中性條件下，加入無氟浮選藥劑，使二氧化硅微細粉體中SiO₂含量從99.1%提高到99.77%左右，相應地Fe₂O₃含量從0.081%下降到0.023%，產(chǎn)率在83%-85%。這表明無氟浮選能明顯改善二氧化硅微細粉體的品質(zhì)。采用六偏磷酸鈉作分散劑和浮選調(diào)整劑，十二胺作捕收劑，可從石英微細粉料中除去鐵雜質(zhì)，F(xiàn)e₂O₃含量由0.09%降至0.02%，產(chǎn)率達到85%。

1.5 超聲波法

超聲波法是依靠介質(zhì)來傳播的一種聲波，它具有機械能，在傳播過程中將會引起與介質(zhì)的相互作用，產(chǎn)生各種效應（機械效應、熱效應及空穴效應）。利用超聲波的粉碎頭作用于液體時，使得液體內(nèi)部發(fā)生變化，產(chǎn)生壓力或拉力，當拉力達到一定強度，產(chǎn)生空化作用，造成無數(shù)小氣泡，這些氣泡隨著超聲振動被壓縮而壓力減小；當氣泡達到臨界尺度時（該尺度決定了超聲波的頻率），這些氣泡將會破裂，產(chǎn)生巨大的壓力，對液體中的固體顆粒進行猛烈的沖擊，在這種劇烈的沖擊下，顆粒表面的微量雜質(zhì)或水花膜，迅速地從顆粒表面剝落，在分散劑的作用下成為微細的懸浮物，脫離石英砂，經(jīng)洗滌分離后，使石英砂的純度大大地提高。在水和少星分散劑的傳媒介質(zhì)中，將0.15mm沉積石英砂巖顆粒粉末，經(jīng)超聲波處理，使含F(xiàn)e₂O₃-0.12%、SiO₂ 99.42%石英砂達到含F(xiàn)e₂O₃ 0.01% SiO₂ 99.8%，回收率在99%上，達到光學玻璃用砂的標準。

2、化學方法

化學方法主要是酸浸法和絡合法，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，從而可以實現(xiàn)對石英的進一步提純。絡合法是利用石英粉在經(jīng)過酸浸后，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。絡合法常用的酸類主要是草酸和醋酸。上述酸類對石英中金屬雜質(zhì)礦物均有較好的去除效果。各種稀酸對Fe和Al的去除效果明顯，而對Ti和Cr的去除則主要利用較濃的硫酸、王水和氫氟酸處理。影響酸處理效果的主要因素是酸濃度、溫度、時間以及洗滌過程等。

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?shù)臅r間，將酸溶液回收，石英砂經(jīng)洗滌、干燥即可。四川某地的含粉砂粘土質(zhì)硅藻土，用硫酸作為酸浸劑，通過對溫度、硫酸濃度及液固比的研究，得出當溫度為90℃，硫酸濃度為40%，液固比為10:1時，硅藻土中鐵的浸出率較佳，F(xiàn)e₂O₃的含量由3%-4%低到0.86%，Al₂O₃含量也由9.55%降低到7.08%，硅藻土中SiO₂的含量升高到80%上。在對石英的酸浸提純實驗研究中，通過對氫氟酸的酸浸溫度、濃度、時間的研究，結(jié)果表明：當脈石英原料粉在溫度為120℃、HF與水的比例為0.4-0.5溶液中酸浸0.5-6h，其純度可達到石英玻璃的標準。

2.2 混合酸浸法

由于每一種酸對石英砂中雜質(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，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，一般時間為24h；若在加熱的條件下，采用攪拌浸出，時間一般為2-6h，洗滌干燥即可。利用在室溫下，18%鹽酸與硅微粉1.5:1的液固比，接著再用25%硫酸，硫酸與硅微粉的液固比為2:1進行二次酸浸，所用的酸浸時間均為12h，經(jīng)兩次酸浸純化處理后的硅微粉中鐵含量＜60μg/g，將洗選過的石英砂按20%-80%固體質(zhì)量分數(shù)配成漿料放入裝有機械攪拌器的容器中，然后加入鹽酸溶液（1%-10%）和氟硅酸溶液（1%-10%），將石英砂和溶液在75-100℃溫度下攪拌2-3h，然后除去料漿中的溶液，再用水清洗數(shù)次、直至清洗液ph值接近中性為止。用此法處理，可使石英砂的鐵含量由0.0059%低至0.0002%-0.005%。所用的混合酸比例為硫酸:鹽酸:硝酸:氫氟酸＝50%:25%:15%:10%，加熱到80℃，浸出礦漿的濃度為50%-55%，其二氧化硅的含量和鐵雜質(zhì)的含量達到高純石英砂的標準(SiO₂≥99.98%，F(xiàn)e₂O₃≤0.001%)。

2.3 絡合法

絡合法是將一種中等強度的有機酸，與石英砂表面的雜質(zhì)發(fā)生反應，且還能與反應后的雜質(zhì)離子形成穩(wěn)定的配位化合物，降低了雜質(zhì)離子在顆粒表面的濃度，同時也防止離子在洗滌過程中產(chǎn)生沉淀，使石英砂中雜質(zhì)含量進一步降低。

Panias等將平均粒徑2μm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⁺再與草酸形成穩(wěn)定的螯合物，其除鐵率在80%-100%之間，經(jīng)過處理后，石英砂中含鐵量低于10×10^-6。河南省鞏義市的石英砂經(jīng)過草酸處理后，樣品中SiO₂含量由98.26%提高到99.81%，Al₂O₃的含量由0.18%降低到0.15%，F(xiàn)e₂O₃含量降低到0.10%。

以上所用的酸均可用蒸發(fā)、凝結(jié)或其他方法達到再生、重復使用的目的。當SiO₂純度要求很高時，清洗酸液的水需要是蒸餾水或去離子水，以免自來水中所含的鐵等雜質(zhì)對高純SiO₂造成污染。

2.4 其他方法

SiO₂的應用十分廣泛，不同的應用，對其純度要求也不同，因此，有時也采用一些其他的提純方法作進一步的提純，如電選法是利用石英與雜質(zhì)礦物在電性上微小的差別，選出微量的金屬雜質(zhì)礦物；熱爆裂法是將二氧化硅加熱到一定的溫度后礦物中的包裹體發(fā)生爆裂，使包裹體中的雜質(zhì)得以去除。熱氯化法可除去石英氣泡相中雜質(zhì)礦物及金屬包裹體等。

3、石英砂提純總結(jié)

不管是物理方法還是化學方法，在石英砂提純的整個工藝過程中，都有不可替代的作用。在實際應用中，往往是先用物理方法作預處理，如水洗和分級脫泥、擦洗、磁選、浮選和超聲波法，除去大部分的雜質(zhì)，再進行化學方法即酸浸法和絡合法，進一步除去石英砂中的微量雜質(zhì)。但是化學方法所使用的酸液對環(huán)境有著嚴重的污染，這就需要我們尋求一種新的提純方法。結(jié)合化學、物理、機械化學，電磁（波）化學等知識，研究高純石英砂的提純技術是今后重要的發(fā)展方向。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，石英砂的選礦提純具有很重要的經(jīng)濟效益和社會效益。尤其是隨著微電子、光電等行業(yè)的發(fā)展，高純石英砂的優(yōu)良性能是其他粉末無法替代的，市場前景較為廣闊。