一、引言

石英砂是一种重要的工业矿物原料，广泛应用于玻璃、陶瓷、冶金、化工、电子等众多领域。随着高科技产业的快速发展，对石英砂的纯度要求越来越高。高纯度石英砂在光纤通信、半导体制造、航空航天等高端技术领域具有不可替代的作用。因此，研究石英砂的提纯方法以达到高纯度标准具有重要的现实意义。

二、石英砂的矿石性质与杂质类型

（一）矿石性质

石英砂的主要成分是二氧化硅（SiO₂），其晶体结构为三方晶系，具有较高的硬度和化学稳定性。石英砂的颜色多样，常见的有白色、灰色、黄色等，颜色主要由其中的杂质元素决定。石英砂的颗粒大小不一，从几微米到数毫米不等，其粒度分布对提纯工艺和产品的质量有重要影响。

（二）杂质类型

金属氧化物杂质

常见的金属氧化物杂质包括氧化铁（Fe₂O₃）、氧化铝（Al₂O₃）、氧化钛（TiO₂）等。这些杂质主要来源于石英砂的成矿母岩，在石英砂的形成过程中混入其中。例如，氧化铁杂质会使石英砂呈现黄色或红色，降低石英砂的白度，并且在玻璃制造等行业中会影响产品的透明度和光学性能。

云母类杂质

云母是一种层状结构的硅酸盐矿物，其片状结构在石英砂中较为常见。云母杂质的存在会影响石英砂的粒度和形状，增加石英砂的摩擦系数，在一些对粒度要求严格的行业中，如电子级石英砂的制备，云母杂质是需要重点去除的对象。

长石类杂质

长石也是常见的硅酸盐矿物，与石英砂在物理和化学性质上有一定的相似性，但长石的可溶性相对较强。长石杂质的存在会影响石英砂的纯度，并且在高温熔融过程中可能会与石英砂发生反应，影响产品的质量。

三、石英砂提纯的物理方法

（一）擦洗法

原理

擦洗法是利用机械力和砂粒间的磨剥力来除去石英砂表面的薄膜铁、粘结及泥性杂质矿物和进一步擦碎未成单体的矿物集合体。在擦洗过程中，石英砂颗粒之间相互摩擦、碰撞，使得附着在颗粒表面的杂质被剥离下来。

工艺流程

首先将石英砂原矿加水制成矿浆，矿浆的浓度一般在50% - 70%之间。然后将矿浆送入擦洗机，擦洗机主要有棒磨擦洗机和螺旋擦洗机等类型。在擦洗机内，石英砂在机械力的作用下进行擦洗，擦洗时间根据原矿的性质而定，一般为10 - 30分钟。擦洗后的矿浆经过分级，将擦洗下来的杂质和细粒级石英砂分离出来，得到初步提纯的石英砂。

（二）磁选法

原理

磁选法是基于石英砂中的磁性杂质（如赤铁矿、褐铁矿等含铁矿物）与石英砂在磁场中的磁性差异进行分离的。磁性杂质在磁场中会被磁化，从而受到磁力的作用，而石英砂是非磁性物质，不受磁场力的影响。

工艺流程

石英砂原矿首先经过破碎和磨矿，使其中的磁性杂质暴露出来。然后将磨细后的矿浆送入磁选机，磁选机的磁场强度根据磁性杂质的种类和含量进行调整。在磁选过程中，磁性杂质被吸附在磁选机的磁选滚筒上，而非磁性石英砂则随矿浆流出，从而实现石英砂与磁性杂质的分离。

（三）重选法

原理

重选法是利用石英砂和杂质矿物之间的密度差异进行分离的。石英砂的密度一般为2.65g/cm³左右，而一些杂质矿物如云母、长石等的密度相对较小或较大。通过重选过程，可以使密度不同的矿物在水流、重力等外力作用下实现分离。

工艺流程

常用的重选设备有摇床、溜槽等。将石英砂原矿制成矿浆后，送入重选设备。在摇床中，矿浆在横向水流和床面的不对称往复运动作用下，不同密度的矿物按层分开。溜槽则是利用斜面水流的作用，使密度大的矿物沉降在底部，密度小的矿物留在上层，从而实现石英砂与杂质矿物的分离。

四、石英砂提纯的化学方法

（一）酸浸法

原理

酸浸法是利用酸与石英砂中的金属氧化物杂质发生化学反应，将杂质溶解去除。例如，氢氟酸（HF）可以与石英砂中的二氧化硅反应，但同时也会与金属氧化物杂质反应，如Fe₂O₃ + 6HF = 2FeF₃+ 3H₂O，Al₂O₃+ 6HF = 2AlF₃+ 3H₂O等。通过控制酸的浓度、反应温度和时间等条件，可以使杂质很大限度地溶解，而石英砂本身由于具有较高的化学稳定性，不会被酸溶解。

工艺流程

首先将石英砂进行破碎和磨矿，使其粒度达到合适的范围，一般为 -200目占90%以上。然后将磨细后的石英砂放入耐酸反应釜中，加入一定浓度的酸溶液，如盐酸、硫酸、氢氟酸等的混合酸。酸浸反应的温度一般在常温到80℃之间，反应时间为1 - 24小时不等。反应结束后，将酸浸液过滤，得到纯净的石英砂，酸浸液可以进行回收处理，提取其中有价值的金属离子。

（二）碱浸法

原理

碱浸法主要是利用碱与石英砂中的某些杂质矿物发生反应。例如，氢氧化钠（NaOH）可以与长石发生反应，NaOH + KAlSi₃O₈= NaAlSi₃O₈+ KOH，从而将长石分解，使其中的钾、铝等杂质进入溶液相，而石英砂不与碱发生反应。此外，碱还可以与石英砂表面的油污等有机物发生反应，起到清洗的作用。

工艺流程

将石英砂原矿破碎磨细后，放入碱浸槽中，加入氢氧化钠溶液，碱液的浓度一般为5% - 20%。反应温度控制在80 - 100℃之间，反应时间为2 - 8小时。反应结束后，将碱浸液过滤，得到经过碱浸处理的石英砂，碱浸液可以进行中和处理，回收其中的碱和有价值的金属离子。

五、石英砂提纯的联合工艺

（一）磁选 - 酸浸联合工艺

原理

先通过磁选法去除石英砂中的磁性杂质，然后再进行酸浸处理。磁选可以初步去除铁磁性杂质，减少酸浸过程中的酸耗。酸浸则可以进一步去除非磁性金属氧化物杂质，如氧化铝、氧化钛等。

工艺流程

石英砂原矿首先进行磁选，磁选后的石英砂再进行破碎和磨矿，使其粒度达到酸浸的要求。然后将磨细后的石英砂放入酸浸槽中进行酸浸处理，酸浸后的石英砂经过过滤、洗涤，得到高纯度的石英砂。

（二）擦洗 - 酸浸 - 浮选联合工艺

原理

擦洗可以去除石英砂表面的薄膜铁和泥性杂质，酸浸进一步溶解金属氧化物杂质，浮选则可以去除云母等轻质杂质矿物。这种联合工艺可以充分发挥各种方法的优势，提高石英砂的提纯效果。

工艺流程

首先将石英砂原矿加水制成矿浆进行擦洗，擦洗后的矿浆进行酸浸处理。酸浸后的矿浆进行浮选，在浮选过程中，加入适当的捕收剂和起泡剂，使云母等杂质矿物上浮，而石英砂下沉，从而实现石英砂与云母等杂质的分离。

六、结论

石英砂的提纯是一个复杂的过程，需要根据石英砂原矿的性质、用途以及对纯度的要求选择合适的提纯方法。物理方法具有操作简单、成本低等优点，但提纯效果有限；化学方法提纯效果好，但可能会带来环境污染和成本较高的问题；联合工艺则可以综合各种方法的优点，达到更高的提纯效果。在实际生产中，应不断探索和优化石英砂的提纯工艺，以满足不同领域对高纯度石英砂的需求，同时也要注重环境保护和资源的合理利用。