花岗伟晶岩制备高纯石英砂可行性研究
纯石英原料矿可以是脉石英、石英岩，也可以是花岗伟晶岩等。世界领先的高纯度石英生产商美国尤尼明Unimin（现属于Covia）公司则是采用产自美国SprucePine地区花岗伟晶岩岩石（白岗岩）为原料生产高纯石英砂。
我国花岗伟晶岩分布广泛。纯化选矿试验制备高纯石英砂是高纯石英原料矿勘查工作过程中不可缺少的重要内容，本文研究具有成果重要价值。
在国家自然科学基金资助项目(51804294；51874272)和中国科学院光伏与节能材料重点实验室基金项目(PECL2019ZD005；PECL2018QN002)等资助下，本文参照国际上采用花岗伟晶岩提取最高质量石英砂的情况，选用河南某地花岗伟晶岩为原料，开展了制备高纯石英砂的可行性研究。
在工艺矿物学研究的基础上，按照原矿—粗碎—煅烧水淬—磨矿制砂—磁选—浮选—酸浸流程处理样品，研究发现在合适的试验条件下可以获得纯度为4N5以上的高纯石英砂。通过光学显微镜和XRD分析，发现某地花岗伟晶岩制备的高纯石英砂与尤尼明石英砂矿物学结构与包裹体形态相似，并且气液包裹体含量比用脉石英制备的石英砂显著降低。
高纯石英因独特的物理化学性质使其在许多高科技以及军工产品中有着不可替代的重要作用，随着全球新技术、新材料产业快速发展，其需求量将持续增长。国内的高纯石英砂一般采用脉石英为原料生产，由于脉石英是从地下的热水中生长出来的，往往含有很多的气液包裹体和羟基，对石英制品的高温和红外性能有非常大的负面影响。对于高温和红外性能有较高要求的应用场合，高纯石英砂只能完全依赖进口，例如拉制硅单晶用的石英坩埚内壁、高等级红外光学玻璃等用途的石英砂等领域。该类高纯石英砂的制备是目前典型的“卡脖子”技术。
世界领先的高纯度石英生产商美国尤尼明Unimin（现属于Covia）公司则是采用产自美国Spruce Pine地区花岗伟晶岩岩石（白岗岩）为原料生产高纯石英砂。花岗伟晶岩气液包裹体和羟基含量都很低，生产出的高纯石英砂性能优异，在国际上的高纯石英砂领域居于统治地位。所以，采用和美国类似的花岗伟晶岩为原料生产高纯石英砂是国产石英砂质量赶超美国产品的一个可能的途径。
本次研究类比分析了美国Spruce Pine花岗伟晶岩型高纯石英原料矿床成矿地质条件和成矿规律，发现河南某地不含稀有金属或者稀有金属元素含量少的花岗伟晶岩脉具有提纯高纯石英的潜力。以河南某地花岗伟晶岩为原料，优选工艺矿物学特征较好的样品开展提纯试验，以期达到提纯高纯石英的目标，为突破我国高纯石英砂制备“卡脖子”技术瓶颈提供矿物原料基础。
1 矿样性质及试剂
1.1 矿样性质
矿样取自河南某地花岗伟晶岩岩脉，如图1所示，从外形看与美国Spruce Pine地区花岗伟晶岩较为相似。岩脉分布在中一新元古界（Pt2-3z）地层中，产状与地层产状一致，宽约40m，走向150°，沿走向追索，矿脉在地表延伸约350m。矿物成分以斜长石、石英、云母为主，岩石呈白色，花岗结构，斜长石约占60%，石英约占35%，白云母约占5%。其中石英颗粒大小1〜4cm不等，呈灰白色、半透明、油脂光泽，与长石界限明显。
2.1 试验方案
在试验前根据图2流程对矿样进行提纯处理：首先将原矿样手工粗碎至20〜50mm；然后在900°C下煅烧1h后水淬；最后将水淬矿石样品破碎至所需粒度，筛分后备用。水淬会使矿物内部产生微裂纹，即有助于去除部分比较大的包裹体杂质，促进不同矿物相的解离，也有利于后续制砂工艺的进行；选取水淬破碎筛分后合适粒度的样品依次进行磁选、浮选、酸浸、洗涤烘干流程，最后得到石英精砂。
图2 提纯试验工艺流程
2.2 研究与测试方法
将15g石英砂试样放入XFDⅢ-1.5L单槽浮选机中，加入纯水至刻度线，搅拌2min使矿样均匀分散在浮选槽内；调节矿浆至合适pH值后，加入适量活化剂HF；加入捕收剂十二胺后，浮选过程持续10min，分别收集上浮和沉淀产物，干燥后回收备用。试验用磁选机为周期式高梯度磁选机，通过调节磁场强度与次数确定最优条件。
矿石样品的多元素化学分析采用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)进行，所有测量均选用SPECTR OARCOS FHX22 ICP光谱仪。矿石样品的结构分析采用X射线粉末衍射仪(XRD，Rigakusmart lab，λ=0.15406nm，9kW)。工作条件：工作电压为40kV，工作电流20mA，扫描速度0.57s，扫描范围10〜70°。
3.1 花岗伟晶岩矿物学与化学组成分析
取河南某地岩脉3处不同地方花岗岩样品，分别记为HN01、HN02和HN03。表1是3个矿石样品与美国SprucePine地区的2个花岗伟晶岩样品中Al、Fe、K、Ti、Ca、Mg六种主要杂质元素的ICP-OES分析结果。结果表明，河南某地的花岗伟晶岩六种主要杂质元素的初始含量均低于美国Spruce Pine矿山花岗伟晶岩，杂质元素含量低可以降低后续提纯试验的难度，使提纯效果更加明显。图3是河南某地花岗伟晶岩HN01、HN02、HN03和美国Spruce Pine矿山花岗伟晶岩的粉末X射线衍射图谱。结果表明，两种花岗伟晶岩的矿物组成大体相似，均含有石英、长石和云母，与图1矿石原矿样观察结果一致。
表1 多元素化学分析结果
单位：×10－6
图3 河南某地花岗伟晶岩原矿与Spruce Pine地区花岗伟晶岩XRD衍射图
3.2 磁选试验产品ICP-OES分析
磁选是将石英砂中的磁性杂质矿物和颗粒分离出来。石英砂中的石英是非磁性物质，在磁场中不能被磁化，而其中含Fe、Ti的杂质大多是磁性物质，可以被磁化，从而通过磁选可以除去部分含Fe、Ti的杂质。为了探究磁选对花岗伟晶岩杂质去除的效果，试验选用Fe和Ti含量较高的HN01样品，磁选最优条件为：磁场强度为1351.5kA/m，2次磁选。磁选试验产品的ICP分析结果如表2所示。由表2可知，磁选后Fe和Ti的含量都显著降低，Fe、Ti含量由1389X10-6、33X10-6分别降低到416X10-6、2.4X10-6，Fe和Ti的除杂效率分别达到70％和28％。由此可知，通过磁选可以有效去除一部分Fe、Ti杂质。
表2 磁选试验产品多元素化学分析结果
单位：×10－6
3.3 浮选试验产品ICP-OES分析
浮选是选矿行业分离不同矿物常用的方法，主要功能是把石英砂从石英、云母和长石等矿物中分离出来的过程。矿浆的pH值和捕收剂种类、用量对浮选提纯效果都有显著的影响。对磁选后的HN01、HN02和HN03样品进行浮选试验，为高效分离出花岗伟晶岩中的石英砂，本次试验采用了高效便捷的有氟有酸浮选法，选用硫酸做pH调节剂，HF做活化剂，DDA做浮选剂。试验在pH~2.7(H2SO4适量+0.5mLHF)，DDA(6X10-4mol/L)的条件下进行。浮选产品ICP分析结果如表3所示。由表3可知，三种花岗伟晶岩浮选后石英与其他杂质矿物分离效果较好。浮选精砂的主要杂质总含量均低于5000X10-6，纯度达到99.5%以上，浮选精砂指标较好，为接下来酸浸试验提供了纯度较高的原料。
表3 浮选产品多元素化学分析结果
单位：×10－6
3.4 酸浸试验产品ICP-OES分析
石英不溶于酸(氢氟酸除外)，通过酸对Fe及其他有害元素的溶解作用，从而将杂质分离出来，得到高纯石英砂。石英砂表面及缝隙中的杂质可以通过酸浸最大限度地去除。另外，对于含Al、Fe等元素的硅酸盐矿物更易被酸溶解，所以未完全解离的或未通过浮选、磁选等手段分离的长石和云母等杂质矿物可以通过酸洗有效去除。
研究发现酸浸过程中使用混合酸去除杂质的效果比较好，但石英会被氢氟酸溶解，所以混合酸中氢氟酸浓度不宜过高。本试验采用0.5mol/L硫酸加0.3mol/l氢氟酸，分别酸浸2h和8h。酸浸产品分析结果如表4所示。由表4可知，HN01、HN02和HN03三种产品经过酸浸后杂质元素含量明显降低。其中HN01号样品的除杂效果最好，经过2h和8h酸浸后杂质总含量均低于100X10-6，纯度达到4N以上。HN03号样品经过8h酸浸后杂质含量显著降低，杂质总含量仅为44.32X10-6。
HN02号样品虽然除杂效果不佳，但杂质总含量经过8h酸浸后也降低至309.9X10-6。
表4 酸浸产品多元素化学分析结果
单位：×10－6
3.5 提纯产品XRD分析
由以上试验及ICP分析可知，HN03号花岗伟晶岩经过磁选、浮选和酸浸多次提纯后，主要杂质含量降低至44.32X10-6，纯度达到4N5以上。为了研究由花岗伟晶岩提取的高纯石英砂的矿物学性质，对其进行了XRD分析，分析结果如图4所示。由图4结果可知，HN03样品经过提纯处理后，云母和长石等杂质矿物已经去除，提取的高纯石英砂的XRD衍射图谱与尤尼明高纯石英砂相同，说明由花岗伟晶岩可以提取出单一SiO2晶相的高纯石英砂。
4 结论
1）河南某地的国产花岗伟晶岩在矿物成分与美国Spruce Pine地区花岗伟晶岩较为相似，主要杂质元素含量比美国Spruce Pine地区花岗伟晶岩更低，可以成功实现石英相与花岗伟晶岩中的其他相的分离，制备高纯石英砂。且由于花岗伟晶岩独特的物理化学性质，更易于成为制备高纯石英砂的原料。
2）通过粗碎—煅烧水淬—磨矿制砂—磁选—浮选—酸浸流程处理样品，在合适试验条件下可获得纯度为4N5以上的高纯石英砂，而且获得的石英砂中气液包裹体含量显著低于用脉石英制备的石英砂，光学显微形貌与尤尼明石英砂非常相似。
3）由花岗伟晶岩生产高纯石英砂是可行的，该方法是人工合成高纯石英砂、脉石英制备高纯石英砂之外的新途径。
文章部分内容来源于有色金属2022年第2期、覆盖区找矿，文中涉及信息仅供参考，如有侵权请告知删除！
