石英砂的提純與檢測技術(shù)
一、背景
石英砂又稱硅砂,是一種常見的非金屬礦物原料。我國的石英砂選礦提純及深加工開發(fā)利用的比較晚,并且主要用于建筑工業(yè)、玻璃制造、陶瓷工業(yè)和鑄造工業(yè),這些領(lǐng)域?qū)κ⑸暗男枨罅看螅珜υ腺|(zhì)量要求低。對于一些優(yōu)質(zhì)石英砂而言,基本上不經(jīng)過選礦提純或略經(jīng)提純,即可滿足工業(yè)用砂需求。
目前,國外以美國的石英砂選礦提純技術(shù)最為先進(jìn),特點是工業(yè)化產(chǎn)量大、裝備專業(yè)化和生產(chǎn)自動化程度高,其產(chǎn)品已發(fā)展到第六代(雜質(zhì)總質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于8×10-6,透明度為光學(xué)級)。
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,高科技用硅的需求量將大量增加,而天然水晶資源的日趨枯竭使得人們不得不將目光轉(zhuǎn)向天然水晶的替代品——(超)高純石英砂。因此,推動石英砂選礦提純技術(shù)的進(jìn)步,實現(xiàn)精制石英砂、(超)高純石英砂的低成本、大批量工業(yè)化生產(chǎn),對彌補(bǔ)天然水晶資源的不足,滿足高科技用硅需求具有重要的現(xiàn)實意義。
二、石英砂的提純方法
石英砂提純是除去石英砂中少量或微量雜質(zhì),獲得精制石英砂或高純石英砂(如電子級產(chǎn)品)的高難度分離技術(shù)。近年來,國內(nèi)外對石英砂提純工藝研究主要圍繞以下幾個方面進(jìn)行:
1)水洗、分級脫泥
石英砂中的SiO2的品位隨著石英砂粒度的變細(xì)而降低,鐵質(zhì)和鋁制等雜質(zhì)礦物的品位則正好相反,這種現(xiàn)象在含有大量粘土性質(zhì)礦物石英砂中尤為明顯。所以在入選前對石英砂原礦進(jìn)行水選,分級脫泥是非常必要的,而且效果也是較為明顯的。
評價:水洗、分級脫泥作為一種礦石入選前的預(yù)處理方法,應(yīng)用的較早且普遍,但對于存在于石英砂表面的薄膜鐵和粘連性雜質(zhì)礦物,其脫除效果尚不顯著。
2)擦洗
擦洗是借助機(jī)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(jìn)一步擦碎未成單體的礦物集合體,再經(jīng)分級作業(yè)達(dá)到石英砂進(jìn)一步提純的效果。
對于機(jī)械擦洗,一般認(rèn)為影響擦洗效果的因素主要來自擦洗機(jī)的結(jié)構(gòu)特點和配置形式,其次為工藝因素,包括擦洗時間和擦洗濃度。
研究表明,砂礦擦洗濃度在50%-60%之間效果最好,而且在一定程度上反而加大了石英砂提純的難度;擦洗時間原則上以初步達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求為基準(zhǔn),不宜過長,因時間過長,會加大設(shè)備磨損,提高能耗和造成選礦提純成本的增加。
評價:由于對某些石英砂礦,機(jī)械擦洗擦除效果不太理想,因此,我國棒磨擦洗工業(yè)應(yīng)用較為普遍和相對成熟。
3)磁選
磁選工藝的采用,可以最大限度的清除包括連生體顆粒在內(nèi)的赤鐵礦、褐鐵礦和黑云母等弱磁性雜質(zhì)礦物。強(qiáng)磁選通常采用濕式強(qiáng)磁選機(jī)或高梯度磁選機(jī)。
一般而言,對雜質(zhì)以褐鐵礦、赤鐵礦、黑云母等弱磁性雜質(zhì)礦物為主的石英砂,利用濕式強(qiáng)磁機(jī)在10000奧斯特以上可以選出;對含雜以磁鐵礦為主的強(qiáng)磁性礦物,則采用弱磁機(jī)對或中磁機(jī)進(jìn)行選別效果比較好。
評價:當(dāng)石英砂原砂中含雜質(zhì)礦物較多時,僅采用擦洗、脫泥和磁選是不能將石英砂提純成高純砂的,為了進(jìn)一步提高石英砂的純度和降除雜質(zhì)。
4)浮選
考慮到含氟廢水對環(huán)境的嚴(yán)重影響,無氟有酸浮洗法應(yīng)運而生。無氟無酸浮選法是近年來大力開發(fā)的石英長石浮選分離新工藝,該方法是在自然中性介質(zhì)中,利用石英、長石結(jié)構(gòu)組成的差異,合理調(diào)配陰陽離子捕收劑的配比,優(yōu)先浮選出長石,實現(xiàn)二者的分離。
評價:無氟無酸浮選法不算成熟,目前尚未見到工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用的報道。云母與石英的等電點相近,分選難度大,采用酸性條件下陰離子捕收劑,或在堿性條件下陰-陽離子捕收劑兩種方法浮選,可獲得很好的效果。一般而言,經(jīng)過擦洗、脫泥、磁選和浮選后,石英砂的純度可達(dá)到99.3%-99.9%,基本上滿足工業(yè)用砂的需求。
5)色選
色選是根據(jù)物料光學(xué)特性的差異,利用光電探測技術(shù)將顆粒物料中的異色顆粒自動分揀出來。色選機(jī)主要由給料系統(tǒng)、光學(xué)檢測系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)和分離執(zhí)行系統(tǒng)組成。
評價:色選用于石英砂行業(yè)利于將雜色礦物分選出來,或在選礦前期將石英塊按顏色差異進(jìn)行分選。
6)酸浸
酸浸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(jìn)一步提純。酸浸常用酸類有硫酸、鹽酸、硝酸和氫氟酸等;還原劑有亞硫酸及其鹽類等。
研究發(fā)現(xiàn),上述酸類對石英中的非金屬雜質(zhì)礦物均有良好的去除效果,但對不同的金屬雜質(zhì),酸的種類及其濃度影響較為顯著。一般認(rèn)為各種稀酸對Fe和Al的去除均有顯著效果,而對Ti和Cr的去除效果則采用較濃的硫酸、王水或HF進(jìn)行酸浸處理。通常使用上述酸類組成的混合酸進(jìn)行雜質(zhì)礦物的酸浸脫除,考慮到HF對石英的溶解作用,HF濃度一般不超過10%。
評價:酸浸各種因素的控制應(yīng)根據(jù)石英最終品位要求,盡量降低酸的濃度、溫度和用量,減少酸浸時間,以實現(xiàn)在較低的選礦成本下進(jìn)行石英提純。經(jīng)過酸浸處理后的石英砂,可獲得純度達(dá)99.99%的高純石英砂。
7 )微生物浸出
用微生物浸除石英砂顆粒表面的薄膜鐵或浸染鐵是新近發(fā)展起來的一種除鐵技術(shù)。
據(jù)國外研究結(jié)果表明,以黑曲霉素浸除鐵效果最佳,F(xiàn)e2O3的去除率多在75%以上,精礦Fe2O3的品位低達(dá)0.007%。
評價:目前微生物除鐵處于實驗室研究階段,規(guī)模化工業(yè)的生產(chǎn)尚需作進(jìn)一步的實驗研究。
8)其他提純方法
由于不同石英砂制品對雜質(zhì)礦物含量的不同要求,有時也采用一些其他的提純方法作進(jìn)一步提純,如電選利用石英與雜質(zhì)礦物在電性上微小的差別,可選出微量金屬雜質(zhì)礦物;熱氯化方法可除去石英中的氣、液相雜質(zhì)和雜質(zhì)礦物、金屬包裹體對工藝過程中的表面污染,達(dá)到對石英砂進(jìn)一步提純。
三、石英砂的檢測
石英砂的檢測主要包括以下幾個方面:白度檢測、二氧化硅檢測、鐵含量及鋁含量檢測等。
石英砂的主要規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn):
石英砂技術(shù)指標(biāo):
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姓名:陳健
職稱:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院應(yīng)用技術(shù)研究所研究員
專業(yè):材料物理與化學(xué)
主要從事新材料的理論研究與制備和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)。在Al-Si合金法提純硅料的理論研究中,提出了表觀偏析系數(shù)的概念和計算方法并用于提純動力學(xué)的研究,證明了動力學(xué)因素是控制提純效率的一個關(guān)鍵參數(shù),在該理論的指導(dǎo)下,通過研究提純時的溫度場,熔體流場,電磁場以及雜質(zhì)元素的耦合交互作用,進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了幾種新的提純機(jī)制,關(guān)鍵雜質(zhì)元素B和P的提純效率得到大幅度提高,均刷新了行業(yè)的記錄并突破了Al-Si-X三元體系熱力學(xué)提純效率理論極限,為太陽級硅料生產(chǎn)核心技術(shù)的突破打下了堅實基礎(chǔ)。
在加拿大6N Silicon Inc.工作時發(fā)明了Al-Si合金法提純硅料時初晶硅高效分離及副產(chǎn)品綜合利用技術(shù),使生產(chǎn)成本大幅度降低,在世界上首次實現(xiàn)Al-Si合金法提純硅料技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn),該技術(shù)在加拿大獲得多個獎項和北美主流媒體的廣泛關(guān)注和報導(dǎo)。
開發(fā)的熱處理技術(shù)能夠減小Al-Mg合金的時效軟化效應(yīng),在生產(chǎn)中每年能夠節(jié)省大量的鋁合金;開發(fā)的磁性形狀記憶合金在美國海軍的某型號戰(zhàn)術(shù)巡航導(dǎo)彈飛行姿態(tài)控制裝置和加拿大海軍海底潮流能量捕獲裝置上試用。
發(fā)表論文60余篇,并申請專利10余項。
目前作為負(fù)責(zé)人承擔(dān)中科院百人計劃,國家自然科學(xué)基金等研究項目。