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，提出了國內石英砂提純方法的發展方向。

高(gao)純二氧(yang)化硅(gui)是一類(lei)較(jiao)為重要的(de)光電(dian)子材料，廣泛應用于半導體(ti)、光纖通訊、激光和航天等高(gao)技術領域。隨著(zhu)這些領域的(de)迅速發展，對(dui)高(gao)純二氧(yang)化硅(gui)中雜(za)質含量的(de)要求更(geng)為嚴格(ge)，對(dui)高(gao)純二氧(yang)化硅(gui)的(de)需求量亦日益增加。目前(qian)我國所需的(de)高(gao)純二氧(yang)化硅(gui)大部分依賴進口(kou)。

因此，采(cai)用石(shi)英(ying)砂提純技術，獲(huo)得(de)高(gao)純二氧化硅(gui)，是滿(man)足我國高(gao)技術領域對高(gao)純硅(gui)需求的(de)有效途(tu)徑，對促進我國國民經濟發展具有重要的(de)意義。目前提純石(shi)英(ying)砂的(de)主要方(fang)(fang)法可以分為物(wu)理方(fang)(fang)法和化學方(fang)(fang)法兩種。

1、物理方法

物理方法主(zhu)要是水洗和分級脫泥、擦(ca)洗、磁選(xuan)、浮選(xuan)和超聲(sheng)波(bo)法。

1.1 水洗和分級脫泥(ni)

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(de)品位隨之降低(di)，而(er)鐵(tie)質和鋁(lv)質等(deng)雜(za)質礦(kuang)物的(de)品位反而(er)升高，所(suo)以在入選(xuan)前(qian)對(dui)石英砂原礦(kuang)進行水選(xuan)、分級(ji)脫泥非常必要，并且效果(guo)也(ye)較為明(ming)顯。它只是作為一(yi)種礦(kuang)石入選(xuan)前(qian)的(de)預處理方法(fa)，應用得較早也(ye)很普遍，但對(dui)于存在于石英砂表面的(de)薄膜鐵(tie)和粘連(lian)性雜(za)質礦(kuang)物，其脫除效果(guo)尚不明(ming)顯。

1.2 擦(ca)洗

擦洗是(shi)借助機械力和砂粒間的磨剝(bo)力來除(chu)去石英砂表面的薄膜鐵、粘結及泥性雜(za)質礦(kuang)物和進一步擦碎未成(cheng)單體(ti)的礦(kuang)物集合體(ti)，再經分(fen)級作業達到石英砂進一步提純的效果。

目前，主要有棒磨擦(ca)(ca)洗和機械(xie)擦(ca)(ca)洗二種方法。

對于機械(xie)(xie)擦洗(xi)，其相(xiang)關(guan)機械(xie)(xie)設備的(de)結構和(he)(he)配置以及工藝流程中的(de)擦洗(xi)時間和(he)(he)擦洗(xi)濃度都是影響擦洗(xi)效果的(de)主(zhu)要因素(su)。由于影響它的(de)因素(su)太(tai)(tai)多，使機械(xie)(xie)擦洗(xi)的(de)回收率(lv)很低(di)，只有約(yue)40%，所以機械(xie)(xie)擦洗(xi)的(de)效果不太(tai)(tai)理想。

相對于機械擦(ca)(ca)洗(xi)，棒(bang)磨擦(ca)(ca)洗(xi)的(de)效(xiao)(xiao)果(guo)要比它好得多。在(zai)棒(bang)磨擦(ca)(ca)洗(xi)工藝中，加(jia)入適當的(de)藥劑(ji)，增加(jia)雜(za)質礦(kuang)物和石(shi)英顆粒表面的(de)電斥力，增強雜(za)質礦(kuang)物與(yu)石(shi)英顆粒相互間的(de)分離效(xiao)(xiao)果(guo)，使(shi)擦(ca)(ca)洗(xi)的(de)回收率(lv)提(ti)高(gao)到80%，棒(bang)磨擦(ca)(ca)洗(xi)幾(ji)乎是(shi)機械擦(ca)(ca)洗(xi)的(de)兩(liang)倍，但是(shi)對于提(ti)純(chun)高(gao)純(chun)度的(de)石(shi)英砂，它也(ye)只是(shi)對礦(kuang)石(shi)預(yu)處理的(de)一種方(fang)法。

1.3 磁選(xuan)

磁(ci)(ci)(ci)(ci)選(xuan)(xuan)法(fa)可(ke)(ke)以(yi)較大(da)限(xian)度(du)(du)的(de)(de)(de)去(qu)除(chu)(chu)石英砂(sha)顆粒(li)內含(han)有的(de)(de)(de)雜(za)質(zhi)，以(yi)赤(chi)鐵(tie)礦、褐(he)鐵(tie)礦和黑(hei)云母(mu)等(deng)為主的(de)(de)(de)弱磁(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)雜(za)質(zhi)礦物和以(yi)磁(ci)(ci)(ci)(ci)鐵(tie)礦為主的(de)(de)(de)強磁(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)礦物。對(dui)于(yu)(yu)弱磁(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)雜(za)質(zhi)礦物常(chang)選(xuan)(xuan)用在100000e以(yi)上的(de)(de)(de)強磁(ci)(ci)(ci)(ci)機(ji)，對(dui)于(yu)(yu)強磁(ci)(ci)(ci)(ci)性(xing)雜(za)質(zhi)的(de)(de)(de)礦物常(chang)采用弱磁(ci)(ci)(ci)(ci)機(ji)或(huo)者是中(zhong)磁(ci)(ci)(ci)(ci)機(ji)進行磁(ci)(ci)(ci)(ci)選(xuan)(xuan)。一(yi)般來說(shuo)，磁(ci)(ci)(ci)(ci)選(xuan)(xuan)次數(shu)和磁(ci)(ci)(ci)(ci)場強度(du)(du)對(dui)磁(ci)(ci)(ci)(ci)選(xuan)(xuan)除(chu)(chu)鐵(tie)效果(guo)有重要影(ying)響，隨磁(ci)(ci)(ci)(ci)選(xuan)(xuan)次數(shu)的(de)(de)(de)增加，含(han)鐵(tie)量逐漸(jian)減少；而在一(yi)定的(de)(de)(de)磁(ci)(ci)(ci)(ci)場強度(du)(du)下可(ke)(ke)除(chu)(chu)去(qu)大(da)部(bu)分的(de)(de)(de)鐵(tie)質(zhi)，但此后磁(ci)(ci)(ci)(ci)場強度(du)(du)即(ji)使提高(gao)很多(duo)，除(chu)(chu)鐵(tie)率(lv)也無(wu)多(duo)大(da)變化。另外，石英砂(sha)粒(li)度(du)(du)越細，除(chu)(chu)鐵(tie)效果(guo)越好，其(qi)原因是細粒(li)石英砂(sha)中(zhong)含(han)鐵(tie)雜(za)質(zhi)礦物量高(gao)的(de)(de)(de)緣故。

在高純石英砂的提純工藝研究進行了實驗研究，結果表明，隨磁場強度的增加，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SiO₂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(han)量0.069%。但是石英(ying)(ying)砂中(zhong)含(han)雜質較多(duo)時(shi)，特別是含(han)有較多(duo)的弱磁(ci)性(xing)或非磁(ci)性(xing)的雜質時(shi)，僅采用磁(ci)選是不能提(ti)純(chun)成高純(chun)石英(ying)(ying)砂的。

1.4 浮選(xuan)

浮選(xuan)是(shi)為了除去石(shi)英砂(sha)中長石(shi)、云母等非磁性伴生雜質礦(kuang)物。目前(qian)主要有有氟浮選(xuan)和無氟浮選(xuan)兩(liang)種方法。

有氟(fu)浮選(xuan)是(shi)采用(yong)陽離子捕(bu)收(shou)劑和(he)氫氟(fu)酸活(huo)化劑在酸性pH值范圍內進行的(de)。但是(shi)考慮到含氟(fu)廢水對(dui)環境(jing)的(de)嚴重影響(xiang)，人們開始(shi)轉向無氟(fu)浮選(xuan)。利用(yong)石英(ying)、長石結構構成的(de)差異，合理調配陰陽離子混合捕(bu)收(shou)劑的(de)配比及用(yong)量，利用(yong)他們Zeta電位(wei)的(de)不同，優先浮選(xuan)出長石，實現二者的(de)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%。這表明無氟浮選能明顯改善二氧化硅微細粉體的品質。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(liang)由0.09%降(jiang)至0.02%，產率達(da)到85%。

1.5 超聲波法

超聲波法是依靠介質來傳播的一種聲波，它具有機械能，在傳播過程中將會引起與介質的相互作用，產生各種效應（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，使得液體內部發生變化，產生壓力或拉力，當拉力達到一定強度，產生空化作用，造成無數小氣泡，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中，將0.15mm沉積石英砂巖顆粒粉末，經超聲波處理，使含Fe₂O₃-0.12%、SiO₂ 99.42%石英砂達到含Fe₂O₃ 0.01% SiO₂ 99.8%，回(hui)收率在99%上，達到(dao)光學玻璃用砂的(de)標準。

2、化學方法

化學方(fang)法主要是(shi)酸(suan)(suan)浸(jin)法和(he)絡(luo)合(he)法，酸(suan)(suan)浸(jin)法是(shi)利用石英(ying)不溶(rong)(rong)于(yu)酸(suan)(suan)（HF除外），其他雜質(zhi)(zhi)礦物(wu)能(neng)被酸(suan)(suan)液溶(rong)(rong)解的(de)特點，從而可(ke)以實現對石英(ying)的(de)進一(yi)步提(ti)純。絡(luo)合(he)法是(shi)利用石英(ying)粉在經過(guo)酸(suan)(suan)浸(jin)后，酸(suan)(suan)又(you)能(neng)與溶(rong)(rong)液中的(de)雜質(zhi)(zhi)離子(zi)形成配位化合(he)物(wu)，使溶(rong)(rong)液中的(de)雜質(zhi)(zhi)離子(zi)進一(yi)步去除。

酸(suan)(suan)(suan)(suan)浸法(fa)(fa)又分為單酸(suan)(suan)(suan)(suan)浸法(fa)(fa)和混合(he)酸(suan)(suan)(suan)(suan)浸法(fa)(fa)。酸(suan)(suan)(suan)(suan)浸法(fa)(fa)常(chang)用(yong)酸(suan)(suan)(suan)(suan)類(lei)有硫酸(suan)(suan)(suan)(suan)、鹽(yan)酸(suan)(suan)(suan)(suan)、硝酸(suan)(suan)(suan)(suan)和氫氟酸(suan)(suan)(suan)(suan)。絡(luo)合(he)法(fa)(fa)常(chang)用(yong)的(de)(de)酸(suan)(suan)(suan)(suan)類(lei)主(zhu)要是(shi)草酸(suan)(suan)(suan)(suan)和醋酸(suan)(suan)(suan)(suan)。上述酸(suan)(suan)(suan)(suan)類(lei)對(dui)石英(ying)中金屬雜質礦物均有較好的(de)(de)去除(chu)效(xiao)果(guo)。各種稀酸(suan)(suan)(suan)(suan)對(dui)Fe和Al的(de)(de)去除(chu)效(xiao)果(guo)明顯，而對(dui)Ti和Cr的(de)(de)去除(chu)則主(zhu)要利用(yong)較濃的(de)(de)硫酸(suan)(suan)(suan)(suan)、王水(shui)和氫氟酸(suan)(suan)(suan)(suan)處理(li)。影(ying)響(xiang)酸(suan)(suan)(suan)(suan)處理(li)效(xiao)果(guo)的(de)(de)主(zhu)要因(yin)素是(shi)酸(suan)(suan)(suan)(suan)濃度(du)、溫度(du)、時間以及洗滌過程等。

2.1 單酸浸法(fa)

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%低到0.86%，Al₂O₃含量也由9.55%降低到7.08%，硅藻土中SiO₂的(de)(de)含量升高到(dao)80%上。在對石英的(de)(de)酸(suan)(suan)浸(jin)提(ti)純實驗研(yan)究(jiu)(jiu)中，通過(guo)對氫氟酸(suan)(suan)的(de)(de)酸(suan)(suan)浸(jin)溫度(du)、濃(nong)度(du)、時間的(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)，結果(guo)表明：當(dang)脈石英原料粉(fen)在溫度(du)為120℃、HF與(yu)水(shui)的(de)(de)比(bi)例(li)為0.4-0.5溶液(ye)中酸(suan)(suan)浸(jin)0.5-6h，其(qi)純度(du)可達到(dao)石英玻璃(li)的(de)(de)標(biao)準。

2.2 混合酸浸法(fa)

由于每一種酸對石英砂(sha)中雜質(zhi)的(de)去除效果(guo)不(bu)同，不(bu)同的(de)酸混合在一起，產生協同效應，使石英砂(sha)中雜質(zhi)的(de)去除率(lv)更高，可以獲得純(chun)度(du)更高的(de)石英砂(sha)。

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%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的含量達到高純石英砂的標準(SiO₂≥99.98%，Fe₂O₃≤0.001%)。

2.3 絡(luo)合法

絡合(he)法是將一(yi)種中等強度的有機酸，與(yu)石(shi)英(ying)砂表面(mian)(mian)的雜(za)質(zhi)發生(sheng)反應，且還能與(yu)反應后的雜(za)質(zhi)離子(zi)(zi)(zi)形成穩定(ding)的配位化合(he)物，降低(di)了雜(za)質(zhi)離子(zi)(zi)(zi)在(zai)顆粒表面(mian)(mian)的濃度，同時也防止(zhi)離子(zi)(zi)(zi)在(zai)洗滌過(guo)程(cheng)中產生(sheng)沉(chen)淀，使石(shi)英(ying)砂中雜(za)質(zhi)含量進(jin)一(yi)步降低(di)。

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，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。河南省鞏義市的石英砂經過草酸處理后，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%，Fe₂O₃含(han)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，清洗酸液的水需要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。

2.4 其他方法

SiO₂的(de)應用十分廣泛(fan)，不(bu)同的(de)應用，對其(qi)純度要(yao)求(qiu)也(ye)不(bu)同，因此，有時也(ye)采用一些其(qi)他(ta)的(de)提純方法(fa)作進一步的(de)提純，如電選法(fa)是(shi)(shi)利用石英與雜質礦物(wu)(wu)在電性上(shang)微小的(de)差別，選出(chu)微量的(de)金(jin)屬雜質礦物(wu)(wu)；熱(re)爆裂法(fa)是(shi)(shi)將二氧化硅加熱(re)到一定(ding)的(de)溫度后礦物(wu)(wu)中的(de)包(bao)裹(guo)體(ti)發生爆裂，使包(bao)裹(guo)體(ti)中的(de)雜質得以(yi)去除。熱(re)氯化法(fa)可除去石英氣泡相中雜質礦物(wu)(wu)及(ji)金(jin)屬包(bao)裹(guo)體(ti)等。

3、石英砂提純總結

不管是(shi)物理(li)方(fang)(fang)法(fa)還是(shi)化學方(fang)(fang)法(fa)，在(zai)石(shi)英砂(sha)提純的(de)整個(ge)工(gong)藝過程中(zhong)(zhong)，都有不可替代的(de)作(zuo)用(yong)(yong)。在(zai)實際應(ying)用(yong)(yong)中(zhong)(zhong)，往(wang)(wang)往(wang)(wang)是(shi)先用(yong)(yong)物理(li)方(fang)(fang)法(fa)作(zuo)預處理(li)，如水洗和(he)分級脫泥、擦洗、磁(ci)選(xuan)、浮選(xuan)和(he)超聲波法(fa)，除去(qu)大部分的(de)雜(za)(za)質，再進行化學方(fang)(fang)法(fa)即(ji)酸(suan)浸法(fa)和(he)絡合法(fa)，進一(yi)步除去(qu)石(shi)英砂(sha)中(zhong)(zhong)的(de)微(wei)量(liang)雜(za)(za)質。但是(shi)化學方(fang)(fang)法(fa)所(suo)使用(yong)(yong)的(de)酸(suan)液對環(huan)境有著(zhu)嚴重的(de)污染，這就需要(yao)我(wo)們尋(xun)求一(yi)種新的(de)提純方(fang)(fang)法(fa)。結合化學、物理(li)、機械(xie)化學，電磁(ci)（波）化學等(deng)知識，研究(jiu)高純石(shi)英砂(sha)的(de)提純技術是(shi)今后重要(yao)的(de)發展方(fang)(fang)向。

隨著經濟(ji)(ji)的(de)(de)發展，石(shi)英砂(sha)的(de)(de)選礦(kuang)提純(chun)具有很重要的(de)(de)經濟(ji)(ji)效益(yi)和社會效益(yi)。尤其是隨著微電子(zi)、光電等行業(ye)的(de)(de)發展，高(gao)純(chun)石(shi)英砂(sha)的(de)(de)優良性能是其他(ta)粉末無法替代的(de)(de)，市場前(qian)景較為廣(guang)闊(kuo)。