摘要：我國的石英砂選礦提純及深加工開發起步較晚，很多行業對石英砂需求量很大，但國內優良石英砂資源相對較少，在對石英砂的質量指標有較高要求的情況下，需要經過提純工藝，才能達到各個工業生產的要求。本文綜述介紹了近年來石英砂提純技術發展現狀，介紹了幾種比較有效的高純石英砂的制備提純方法，提純石英砂的主要方法可以分為物理方法和化學方法兩類。包括擦洗法、磁選法、浮選法、酸浸法、絡合法、微生物浸出法等，通過提純制備高純石英砂，能緩解天然水晶資源不足，滿足日益增長的高科技用硅需求的有效途徑，對促進我國國民經濟建設具有重要的現實意義。

石英砂是自然界常見、應用廣泛的非金屬礦物原料。隨著國民經濟和科學技術的飛速發展，石英砂的應用己不再是局限于玻璃制品、建筑材料等一些對原料質量要求不高的傳統領域，更多的開始涉入高新技術產業領域，如半導體技術、薄膜材料、原子能、光纖通訊、電纜材料以及國防科技等諸多方面。應用于這些領域的石英產品的一個顯著特征是其對石英砂原料質量有很嚴格的要求，需要經過提純工藝，才能達到各個工業生產的要求。一般SiO₂≥99.9%，雜質含量，尤其是鐵雜質、鋁雜質含量被限制在很低的范圍。多年以來，國內外普遍選用天然水晶作原料，經過精選提純后，滿足高科技用硅的需求，但由于天然水晶價格昂貴，資源日益枯竭，使得人們不得不把視線轉移到尋找水晶代用原料這個問題上。目前，在得到水晶代用原料上大致有三個途徑：(1)人造水晶；(2)溶膠-凝膠法及四氧化硅氣相沉淀法；(3)天然石英砂加工提純法。

顯然，前兩種途徑因其造價成本高、生產規模小等缺點，而無法做到真的意義上的水晶代用原料，而利用對石英砂的精選提純制成的高純石英砂代替水晶，不僅行之有效，而且因天然石英砂礦藏豐富、加工成本低廉和易實現規模生產等優點，受到研究單位和生產企業的廣泛關注。因此，采用石英砂提純技術，獲得高純石英砂，是滿足我國高技術領域對高純硅需求的有效途徑，對促進我國國民經濟發展具有重要的意義。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。

一、物理方法

物理方法主要是水洗和分級脫泥、擦洗、磁選和浮選。

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，而鐵質和鋁質等雜質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礦物，其脫除效果尚不顯著。

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、粘結及泥性雜質礦物和進一步擦碎未成單體的礦物集合體，擦洗可以擦碎未成單體的礦物集合體，再經過分級作業達到對原料的初步提純效果。目前，主要有機械擦洗和超聲波擦洗。影響機械擦洗法效果的主要因素是來自擦洗機的結構特點和配置形式，其次為工藝因素（主要包括擦洗時間和擦洗固體濃度）。研究表明，石英砂礦擦洗固體濃度在50%~60%之間效果好，擦洗時間原則上以初步達到產品質量要求為準。時間過長，會加大設備磨損，增加成本。

超聲波擦洗是用超聲波對液體中的石英顆粒進行猛烈沖擊，從而使顆料表面的微量雜質或水化膜迅速地從石英顆粒表面剝落，在分散劑的作用下成為微細的懸浮物，脫離石英砂，經洗滌分離后，使石英砂純度大大地提高。根據廖青、朱建軍等的研究，水和少量分散劑的液體介質中，經超聲波處理后，-0.15mm石英砂巖顆粒粉末含Fe₂O₃≥0.12%和SiO₂≥99.42%可達到含Fe₂O₃≥0.01%，SiO₂≥99.8%，回率在99%以上，達到光學璃用砂標準。

1.3 磁選

磁選法可以很大限度的去除石英砂顆粒內含有的雜質，以赤鐵礦、褐鐵礦和黑云母等為主的弱磁性雜質礦物和以磁鐵礦為主的強磁性礦物。對于弱磁性雜質礦物常選用在100000e以上的強磁機，對于強磁性雜質的礦物，常采用弱磁機或者是中磁機進行磁選。一般來說，磁選次數和磁場強度對磁選除鐵效果有重要影響，隨磁選次數的增加，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，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礦物量高的緣故。田金星在高純石英砂的提純工藝研究進行了實驗研究，結果表明，隨磁場強度的加大，雜質的脫除率上升，磁場強度達到100000e以后，雜質的脫除率增加不明顯。因此適宜的磁場強度應為100000e。經磁選后，40目SiO₂品位可達99.05%，Fe₂O₃含量為0.071；40~80目Si_O2品位為99.09%，Fe₂O₃含量0.070%，80~140目SiO₂品 位99.14%，Fe₂O₃含量0.067%；140~200目SiO₂品位99.10%，Fe₂O₃含量0.069%。但是石英砂中含雜質較多時，特別是含有較多的弱磁性或非磁性的雜質時，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值范圍內進行的。但是考慮到含氟廢水對環境的嚴重影響，人們開始轉向無氟浮選。利用石英、長石結構構成的差異，合理調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，優先浮選出長石，實現二者的分離。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%，產率在83%~85%。這表明無氟浮選能顯著改善二氧化硅微細粉體的品質。湯亞飛等采用六偏磷酸鈉作分散劑和浮選調整劑，十二胺作捕收劑，可從石英微細粉料中除去鐵雜質，Fe₂O₃含量由0.09%下降至0.02%，產率達到85%。

二、化學方法

化學方法主工是酸浸法和絡合法，酸浸法是利用石英不溶于酸（HF除外），其他雜質礦物能被酸液溶解的特點，從而可以實現對石英的進一步提純。絡合法是利用石英粉在經過酸浸后，酸又能與溶液中的雜質離子形成配位化合物，使溶液中的雜質離子進一步去除。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，加熱適當的時間，將酸溶液回收，石英砂經洗滌、干燥即可。四川某地的含粉砂粘土質硅藻土，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，Fe₂O₃的含量由3%~4%降低到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%以上。周永恒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的溶液中酸浸0.5~6h，其純度可達到中高、檔石英玻璃的標準。

2.2 混合酸浸法

由于每一種酸對石英砂中雜質的去除效果不同，不同的酸混合在一起，產生協同效應，使石英砂中雜質的去除率更高，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。張嫦等利用在室溫下，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進行第二次酸浸，所用的酸浸時間均為12h，經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%的固體質量分數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%降低至0.0002%~0.005%。沈久明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 質的含量達到高純石英砂的標準（SiO₂≥99.98%，Fe₂O₃≤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發生反應，且還能與反應后的雜質離子形成穩定的配位化合物，降低了雜質離子在顆粒表面的濃度，同時也防止離子在洗滌過程中產生沉淀，使石英砂中雜質含量進一步降低。Panias等將平均粒徑20μm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，Fe³⁺再與草酸形成穩定的螯合物，其除鐵率在80%~100%之間，經過處理后，石英砂中含鐵量低于10×10^-6。湖南省瀏陽市的石英砂經過草酸處理后，樣品中SiO₂含量由98.26%升高到99.81%，A1₂O₃的含量由0.18%降低到0.15%，Fe₂O₃含量降低到0.10%。以上所用的酸均可用蒸發、凝結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，清洗酸液的水須是蒸餾水或去離子水，以免自來水中所含的鐵等雜質對高純SiO₂造成污染。

其他方法

用微生物浸出石英砂顆粒表面的薄膜鐵或浸染鐵，是近來發展起來的一種除鐵技術。國外研究表明，用黑曲霉、青霉、假單胞菌、多黏菌素桿菌等微生物對石英表面薄膜鐵浸除時，均取得了較好的效果， 其中以黑曲霉菌浸除鐵的效果佳。Fe₂O₃的去除率多在75%以上，精礦Fe₂O₃的品位低達0.007%。并且發現，用大多數細菌和霉菌預先培育的培養液浸除鐵的效果會更好。

三、結語

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，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。但是化學方法所使用的酸液對環境有著嚴重的污染，這就需要我們尋求一種新的、沒有污染的提純方法。結合化學、物理、機械化學、電磁（波）化學等專業知識，研究高純石英砂的提純技術是今后重要的發展方向。隨著經濟的發展，石英砂的選礦提純具有很重要的經濟效益和社會效益。尤其是隨著微電子、光電等行業的發展，高純石英砂的優良性能是其他粉末無法替代的，市場前景很為廣闊。