一种高效节能环保的高纯石英砂的制备工艺

技术领域

本发明属于石英砂制备技术领域，具体涉及一种高效节能环保的高纯石英砂的制备工艺。

背景技术

石英砂是一种坚硬，耐磨，化学性能稳定的硅酸盐矿物，其主要矿物成分为石英，一般呈乳白色，或无色半透明状，硬度7，性脆无解离，贝壳状断口，油脂光泽，密度为2.65，其化学，热学和机械性能具有明显的异向性，不溶于酸，微溶于KOH溶液，熔点1750℃。石英砂矿产类型通常可以分为石英砂岩、石英岩、脉石英、石英砂、石英砂矿这几类。

其中，高纯石英砂通常指总杂质元素含量小于50μg/g的石英粉体。其中各主要杂质的含量分别为：Al<30μg/g，Ca<5μg/g，Na<8μg/g，K<8μg/g，Li<5μg/g，Fe<3μg/g，Ti<10μg/g。石英玻璃被誉为“玻璃之王”，具有导热率低、抗热振性好、变形和软化温度高、介电损耗低和透光度高等特性，应用领域十分广泛，如光电源、半导体、集成电路和光纤通讯等高新技术行业。并且随着我国经济迅速发展，这些行业对高纯石英砂的依赖性将越来越大。我国已把高纯石英砂视作一种战略资源，高纯石英砂作为石英玻璃的原料，其纯化处理对社会的发展具有战略意义。高纯石英砂一般有两种来源：一种是用硅质原料通过提纯工艺处理得到；另一种是通过人工合成而得到。后一种方法所得的石英砂总杂质含量极低，被应用于更前沿领域，如航空航天、国防科技等,但其能耗大，生产成本高，不适宜批量生产。因此，需要研发出一种适用于高效节能环保的高纯石英砂的制备工艺，简化提纯工艺，适合规模化的生产。

中国专利申请号为CN201810403912.1公开了一种从石英砂尾砂提取制备玻璃用石英砂的生产工艺，是从石英砂尾砂提取制备玻璃用石英砂的生产工艺，没有得到高纯的石英砂，没有解决石英砂杂质多、纯度低、品质较差的问题。

发明内容

发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种高效节能环保的高纯石英砂的制备工艺，制备步骤设置合理，采用石英砂岩作为高纯石英砂的原料，通过预处理、破碎筛分、磁选、浮选、酸洗处理后得到高纯石英砂，成本低廉，能耗小，适合规模化的生产，应用前景广泛。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高效节能环保的高纯石英砂的制备工艺， 包括如下步骤：

（1）预处理：称取石英砂岩，将石英砂岩置于陶瓷坩埚中，放入马弗炉中由室温升温至800-900℃后保温2-3h，取出后倒入冷水中进行水淬，然后烘干；

（2）破碎筛分：将上述预处理后的石英砂岩通过对辊破碎机进行破碎处理，筛分得到粒级为0.1mm～0.3 mm的石英砂原料；

（3）磁选：通过周期式高梯度磁选机对上述石英砂进行磁选，磁场强度为1.6T，脉冲冲次为250次/min；

（4）擦洗：按照固：液为1g：2.5ml的比例，向上述磁选的石英砂加入蒸馏水，搅拌30分钟，稀释至固：液为1g：10ml继续搅拌10分钟湿筛；

（5）浮选：将上述擦洗后的石英砂加入浮选机中，通过浮选溶液对石英砂进行浮选，所述浮选机的转速为2300-2400r/min；所述浮选溶液是由5％的稀硫酸、抑制剂、捕收剂、起泡剂组成的溶液；

（6）酸洗：将上述浮选后的石英砂进行酸洗，得到高纯石英砂。

本发明所述的高效节能环保的高纯石英砂的制备工艺，制备步骤设置合理，采用石英砂岩作为高纯石英砂的原料，通过预处理、破碎筛分、磁选、浮选、酸洗处理后得到高纯石英砂，粒级为0.1mm～0.3 mm的高纯石英砂的SiO2含量提高到99.995％以上，Fe2O3、Al2O3的含量低于0．001％和0．001％，成本低廉，能耗小，适合规模化的生产，应用前景广泛。

其中，我国的石英砂岩储备丰富，具有巨大的开发利用价值，选择石英砂岩作为高纯石英砂的原料，把资源优势转化为经济优势，形成新的经济增长点，可以促进资源地区的经济发展，具有重要的社会意义和经济价值。

石英砂岩的杂质主要来自于铁矿物、粘土矿物、重矿物，同时有少量来自于次生石英胶结物与原生石英颗粒间隙中呈次显微状分布的粘土。高新技术行业对高纯石英砂原料粒度要求一般为0.1mm-0.6mm，并且该粒级含量越多越好，因为粒度过大或过小都会导致石英砂在熔融过程中产生气泡，并且粒度差异过大时，小颗粒会熔融包裹于大颗粒表面，这都会影响产品质量。

本发明通过预处理对石英砂岩进行了烘焙、冷淬，石英砂岩在800-900℃时会发生晶型转变，β-石英转化成了β-磷石英，而这个转化过程中伴随有体积膨胀，再经过水淬处理，石英砂岩的体积产生急剧缩小，由于石英和杂质矿物的膨胀系数不同，其收缩的程度并不能保持完全一致，因此，石英砂岩内部便会产生丰富的裂痕，所以此温度下0.1mm～0.3mm这类合格粒径含量明显增加。预处理的烧焙-水淬使石英砂岩的硬度大大降低，通过对辊破碎机粒度处理效果明显，有预提纯的作用；通过磁选去除石英砂岩的磁性矿物例如Fe、Ti的杂质颗粒或含此类杂质的连生体；通过擦洗进一步提高SiO2产率HE 去除铁矿物杂质和铝矿物杂质；通过浮选去除长石和残余的白云母等非磁性矿物以及残余Fe、Al等杂质；最后，通过酸洗对包裹在石英砂表面的杂质进行去除，最终得到高纯石英砂。

进一步的，上述的高效节能环保的高纯石英砂的制备工艺，所述步骤（1）中对辊破碎机为挤压式破，所述对辊破碎机的对辊间隙为0.3mm。

石英砂岩为不等粒粒状结构，预处理的烧焙-水淬使石英砂岩的硬度大大降低，本发明通过采用挤压式破的对辊破碎机，给石英砂岩表面造成的铁质污染更少，并且挤压的破碎方式可以有效的避免石英砂岩过磨的问题，粒度处理效果明显，有预提纯的作用。采用对辊间隙为0.3mm，使石英砂岩经过对辊粉碎筛分出粒径大于0.3mm石英砂岩可以进行返回再次粉碎。

进一步的，上述的高效节能环保的高纯石英砂的制备工艺，所述浮选溶液是由5％的稀硫酸、抑制剂、捕收剂、起泡剂组成的溶液，控制溶液pH值在2.5～3；其中，所述抑制剂为水玻璃，用量为600g/t；所述捕收剂为十二胺，并且与盐酸按摩尔比1：1配置成l％的溶液，用量为1200g/t；所述起泡剂为苯乙酯油，用量为300g/t。

进一步的，上述的高效节能环保的高纯石英砂的制备工艺，所述步骤（6）的酸洗是将浮选后的石英砂置于混合酸溶液中进行酸浸处理。

进一步的，上述的高效节能环保的高纯石英砂的制备工艺，所述混合酸溶液中组分配比是盐酸：氢氟酸为95％：5％，所述盐酸的浓度为36％，所述氢氟酸的浓度为40%，所述混合酸溶液的用量为500kg/t，酸浸的温度为50-60℃，酸浸时间为20-24h。

磁选、擦洗、浮选等物理方法只能去除石英砂结构类杂质，即发生单体解离的杂质，而对包裹在石英砂表面的杂质去除作用非常有限，因此，针对石英砂包裹夹杂的铁质矿物、附着在石英砂颗粒表面的薄膜铁、存在于裂隙中的含铁物质以及破碎过程中引入的少许机械铁，酸处理是一种最有效的去除铁杂质的方法。

进一步的，上述的高效节能环保的高纯石英砂的制备工艺，所述步骤（2）中除铜、除镉，具体包括如下步骤：将上述硫酸锌溶液加热到70～75℃，采用氨水调节pH至5.2～5.4，加入锌粉，恒温反应1.0-1.5h，却到室温，过滤，得到高纯硫酸锌溶液。

进一步的，上述的高效节能环保的高纯石英砂的制备工艺，还包括超细超高纯整理，所述超细超高纯整理，包括如下步骤：

（1）球磨：对所述高纯石英砂进行球磨，得到高纯石英砂粉体；

（2）调浆：将高纯石英砂粉体加入调浆桶中，加入水调节粉体浆浓度至20%～35%，加酸，调节pH值至4-6，得到高纯石英砂粉体原浆；

（3）浮选：对上述高纯石英砂粉体原浆进行浮选，得到浮选后的高纯石英砂粉体；

（4）循环酸洗：对浮选后的高纯石英砂粉体进行酸洗，再送至超声波清洗机中进行2~5次超声波清洗，再用去离子水或电子级纯水经多洗清洗脱水；

（5）烘干：将脱水后的超细超高纯石英粉体通过工业微波炉进行微波辐射，并充入氮气或氩气作为保护气体，同时开启换气装置对容器内的保护气体进行循环；结束后缓慢冷却，即得到超细超高纯石英砂粉体。

进一步的，上述的高效节能环保的高纯石英砂的制备工艺，所述浮选，具体包括如下步骤：

（1）浮选机粗选：通过浆泵将粗选调浆桶中的高纯石英砂粉体原浆泵入浮选机的浮选槽中，并加入组合捕收剂，搅拌5-10分钟后加入起泡剂，再搅拌5分钟后打开浮选机充气阀开始刮泡，刮泡5-20分钟；

（2）浮选柱精选：将浮选槽内的高纯石英砂粉体原浆泵入精选调浆桶中，向精选调浆桶中再次加入组合捕收剂，搅拌5-15分钟后泵入浮选柱中进行精选，精选10-25分钟；浮选柱溢出的泡沫泵入粗选调浆桶中与超高纯石英砂粉体原浆混合，浮选柱底部的物料即为精选后的高纯石英砂粉体。

进一步的，上述的高效节能环保的高纯石英砂的制备工艺，所述循环酸洗，具体包括如下步骤：

（1）选取聚四氟乙烯材料为内壁材料的双锥反应釜，按照100:7～10的重量比加入浮选后的高纯石英砂粉体和酸洗液；

（2）将所述双锥反应釜升温至100～120℃，所述反应釜内部温度在100℃以上时保温4～6小时，同时保持所述反应釜处于运转混合；

（3）保温结束后向所述反应釜中加入温度为65℃以上的水，运转清洗高纯石英砂粉体30min，清洗结束后停止加热，排除清洗废液，重复进行多次pH值至中性；

（4）再送至超声波清洗机中进行3次超声波清洗，再用去离子水或电子级纯水经多洗清洗脱水，得到超细超高纯石英粉体。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

（1） 本发明所述的高效节能环保的高纯石英砂的制备工艺，制备步骤设置合理，采用石英砂岩作为高纯石英砂的原料，通过预处理、破碎筛分、磁选、浮选、酸洗处理后得到高纯石英砂，粒级为0.1mm～0.3 mm的高纯石英砂的SiO2含量提高到99.995％以上，Fe2O3、Al2O3的含量低于0．001％和0．001％，成本低廉，能耗小，适合规模化的生产，应用前景广泛；

（2） 本发明所述的高效节能环保的高纯石英砂的制备工艺，选择石英砂岩作为高纯石英砂的原料，生产成本低，把资源优势转化为经济优势，形成新的经济增长点，可以促进资源地区的经济发展，具有重要的社会意义和经济价值；

（3） 本发明所述的高效节能环保的高纯石英砂的制备工艺，通过预处理对石英砂岩进行了烘焙、冷淬，石英砂岩在800-900℃时会发生晶型转变，β-石英转化成了β-磷石英，而这个转化过程中伴随有体积膨胀，再经过水淬处理，石英砂岩的体积产生急剧缩小，石英砂岩内部便会产生丰富的裂痕，大大提高了0.1mm～0.3 mm这类合格粒径含量。

具体实施方式

下面将实施例结合具体实验数据，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

以下实施例1、2提供了一种高效节能环保的高纯石英砂的制备工艺。

实施例1

（1）预处理：称取石英砂岩，将石英砂岩置于陶瓷坩埚中，放入马弗炉中由室温升温至870℃后保温2.5h，取出后倒入冷水中进行水淬，然后烘干；

（2） 破碎筛分：将上述预处理后的石英砂岩通过对辊破碎机进行破碎处理，筛分得到粒级为0.1mm～0.3 mm的石英砂原料；所述步骤（1）中对辊破碎机为挤压式破，所述对辊破碎机的对辊间隙为0.3mm；

（3） 磁选：通过周期式高梯度磁选机对上述石英砂进行磁选，磁场强度为1.6T，脉冲冲次为250次/min；

（4） 擦洗：按照固：液为1g：2.5ml的比例，向上述磁选的石英砂加入蒸馏水，搅拌30分钟，稀释至固：液为1g：10ml继续搅拌10分钟湿筛；

（5） 浮选：将上述擦洗后的石英砂加入浮选机中，通过浮选溶液对石英砂进行浮选，所述浮选机的转速为2350r/min；所述浮选溶液是由5％的稀硫酸、抑制剂、捕收剂、起泡剂组成的溶液；所述浮选溶液是由5％的稀硫酸、抑制剂、捕收剂、起泡剂组成的溶液，控制溶液pH值在2.5～3；其中，所述抑制剂为水玻璃，用量为600g/t；所述捕收剂为十二胺，并且与盐酸按摩尔比1：1配置成l％的溶液，用量为1200g/t；所述起泡剂为苯乙酯油，用量为300g/t。

（6） 酸洗：将浮选后的石英砂置于混合酸溶液中进行酸浸处理，所述混合酸溶液中组分配比是盐酸：氢氟酸为95％：5％，所述盐酸的浓度为36％，所述氢氟酸的浓度为40%，所述混合酸溶液的用量为500kg/t，酸浸的温度为60℃，酸浸时间为20h，得到高纯石英砂。

实施例2

（1）预处理：称取石英砂岩，将石英砂岩置于陶瓷坩埚中，放入马弗炉中由室温升温至870℃后保温2.5h，取出后倒入冷水中进行水淬，然后烘干；

（2） 破碎筛分：将上述预处理后的石英砂岩通过对辊破碎机进行破碎处理，筛分得到粒级为0.1mm～0.3 mm的石英砂原料；所述步骤（1）中对辊破碎机为挤压式破，所述对辊破碎机的对辊间隙为0.3mm；

（3） 磁选：通过周期式高梯度磁选机对上述石英砂进行磁选，磁场强度为1.6T，脉冲冲次为250次/min；

（4） 擦洗：按照固：液为1g：2.5ml的比例，向上述磁选的石英砂加入蒸馏水，搅拌30分钟，稀释至固：液为1g：10ml继续搅拌10分钟湿筛；

（5） 浮选：将上述擦洗后的石英砂加入浮选机中，通过浮选溶液对石英砂进行浮选，所述浮选机的转速为2350r/min；所述浮选溶液是由5％的稀硫酸、抑制剂、捕收剂、起泡剂组成的溶液；所述浮选溶液是由5％的稀硫酸、抑制剂、捕收剂、起泡剂组成的溶液，控制溶液pH值在2.5～3；其中，所述抑制剂为水玻璃，用量为600g/t；所述捕收剂为十二胺，并且与盐酸按摩尔比1：1配置成l％的溶液，用量为1200g/t；所述起泡剂为苯乙酯油，用量为300g/t。

（6） 酸洗：将浮选后的石英砂置于混合酸溶液中进行酸浸处理，所述混合酸溶液中组分配比是盐酸：氢氟酸为95％：5％，所述盐酸的浓度为36％，所述氢氟酸的浓度为40%，所述混合酸溶液的用量为500kg/t，酸浸的温度为60℃，酸浸时间为20h，得到高纯石英砂。

对得到的高纯石英砂继续进行超细超高纯整理，所述超细超高纯整理，包括如下步骤：

（1） 球磨：对所述高纯石英砂进行球磨，得到高纯石英砂粉体；

（2） 调浆：将高纯石英砂粉体加入调浆桶中，加入水调节粉体浆浓度至30%，加酸，调节pH值至4-6，得到高纯石英砂粉体原浆；

（3） 浮选：对上述高纯石英砂粉体原浆进行浮选，得到浮选后的高纯石英砂粉体；

（4） 循环酸洗：对浮选后的高纯石英砂粉体进行酸洗，再送至超声波清洗机中进行5次超声波清洗，再用去离子水或电子级纯水经多洗清洗脱水；

（5） 烘干：将脱水后的超细超高纯石英粉体通过工业微波炉进行微波辐射，并充入氮气或氩气作为保护气体，同时开启换气装置对容器内的保护气体进行循环；结束后缓慢冷却，即得到超细超高纯石英砂粉体。

其中，所述浮选，具体包括如下步骤：

（1） 浮选机粗选：通过浆泵将粗选调浆桶中的高纯石英砂粉体原浆泵入浮选机的浮选槽中，并加入组合捕收剂，搅拌10分钟后加入起泡剂，再搅拌5分钟后打开浮选机充气阀开始刮泡，刮泡15分钟；

（2） 浮选柱精选：将浮选槽内的高纯石英砂粉体原浆泵入精选调浆桶中，向精选调浆桶中再次加入组合捕收剂，搅拌10分钟后泵入浮选柱中进行精选，精选25分钟；浮选柱溢出的泡沫泵入粗选调浆桶中与超高纯石英砂粉体原浆混合，浮选柱底部的物料即为精选后的高纯石英砂粉体。

其中，所述循环酸洗，具体包括如下步骤：

（1）选取聚四氟乙烯材料为内壁材料的双锥反应釜，按照100:8的重量比加入浮选后的高纯石英砂粉体和酸洗液；

（2）将所述双锥反应釜升温至120℃，所述反应釜内部温度在120℃时保温5小时，同时保持所述反应釜处于运转混合；

（3）保温结束后向所述反应釜中加入温度为65℃的水，运转清洗高纯石英砂粉体30min，清洗结束后停止加热，排除清洗废液，重复进行多次pH值至中性；

（4）再送至超声波清洗机中进行3次超声波清洗，再用去离子水或电子级纯水经多洗清洗脱水，得到超细超高纯石英粉体。

效果验证：

对由上述实施例1得到高纯石英砂和实施例2得到超细超高纯石英粉体进行ICP分析，实施例1得到高纯石英砂的SiO2含量提高到99.995％以上，Fe2O3、Al2O3的含量低于0．001％和0．001％，实施例2得到超细超高纯石英粉体的SiO2含量提高到99.998％以上，Fe2O3、Al2O3的含量低于0．0005％和0．0006％。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。