乐山石英砂岩除铁提纯试验研究

汪本高，李丹妮

(1.成都理工大学材料与化学化工学院，四川 成都 610059；2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，甘肃 兰州 730070)

1 引言

石英砂是一种大宗非金属矿，用途非常广泛，是近百种工业产品的原料，主要用于玻璃工业、填料领域及生产金属硅、有机硅化合物[1-2]。近年来，随着新能源产业的迅速发展，石英砂的应用拓展到高新技术产业领域，如电子材料、光纤通讯等。高新技术领域对石英砂的杂质含量，尤其是铁杂质含量限制在很低。

四川省乐山市白沙槽硅石矿矿山的资源储量达1155万t。矿石中矿物组分主要为石英(属β-石英，为热液交代原岩产物)，一般含量为96%～99%，晶粒一般为0.02～0.04mm，大者可达0.1～0.2mm，个别达0.7mm；次为白云石、磷灰石、绿泥石及分布不均匀的少量金属矿物，另有微量的碳质及次生含铁碳酸盐矿物和方解石。

该矿由于缺乏有效提纯技术，一直未能得到有效开发利用。在现实生产中，除去石英砂中的铁杂质有浮选[3-4]、磁选、酸浸[5-7]、络合[8]、微生物浸出等方法，基于该矿特点，以高纯石英砂的技术指标为提纯目标，采用粉碎、水洗、酸浸、焙烧、水碎、二次酸浸进行提纯除铁试验研究[9-11]。

2 试验部分

2.1 样品分析

试验所用样品由四川金口河山矿业有限公司提供，对样品进行粉碎研磨(200目)，经分析测定该矿石主要化学成分(%)：SiO297.0800、Fe2O30.2441、Al2O30.0658、CaO 0.3998、MgO 0.1579、TiO20.0004、灼失量 2.0500。

2.2 试验方法及工艺流程

2.2.1 药品及仪器设备

主要药品：硫酸、盐酸、氢氟酸、草酸，市售，优级纯，来自成都科龙化工试剂厂。

设备：电感耦合等离子体发射光谱仪(美国PE，Optima 5300V型)，电子天平(梅特勒托利多，AB 104～N)，JJ-1型定时搅拌电动仪，电子恒温水浴锅(型号DZKW-4，功率1000W)，箱式电阻炉—马弗炉(2.5kW，220V)。

2.2.2 提纯工艺流程

提纯除铁按“水洗—酸浸—焙烧—水碎—二次酸浸”工艺流程如下：石英砂原矿→粗选→粉碎→自来水水洗→酸浸→过滤、水洗、干燥→焙烧→水碎水洗→二次酸浸→过滤、去离子水洗、干燥→高纯石英砂。

3 结果与讨论

3.1 酸浸条件对除铁提纯效果的影响

3.1.1 酸溶液种类

称取一定量经水洗后的石英砂，加入不同的酸溶液，常温(21℃)下置于恒温水浴锅中酸浸10h(酸溶液与石英砂的液固质量比为5∶1)，不同酸溶液对石英砂除铁试验结果见图1。

图1 酸的组成对石英砂除铁效果的影响

可见，不同种类的酸其提纯效果有所不同，其中盐酸除铁提纯效果要好于其他的酸，因前期主要是去除包覆在石英砂颗粒表面的杂质，采用盐酸单酸浸泡即可。

3.1.2 酸溶液浓度

称取一定量经水洗后的石英砂，加入一定浓度的盐酸溶液，置于50℃恒温水浴锅中酸浸4h(酸溶液与石英砂的液固质量比为5∶1)，不同酸溶液浓度对石英砂提纯效果的影响如图2所示。

图2 酸溶液浓度对石英砂除铁效果的影响

由图2可以看出，提高酸溶液浓度，有利于石英砂的除铁效果，但同时酸挥发损失量也增多，成本也增大。当盐酸浓度为10%时，Fe2O3含量降至86×10-6。综合考虑，故选用10%左右的盐酸较适宜。

3.1.3 酸浸温度

称取一定量经水洗后的石英砂，加入10%盐酸溶液，置于一定温度的恒温水浴锅中酸浸4h(酸溶液与石英砂的液固质量比为5∶1)，不同酸浸温度对石英砂提纯效果的影响如图3所示。

图3 酸浸温度对石英砂除铁效果的影响

由图3可以看出，酸浸温度越高，有利于石英砂的除铁提纯，当温度为60℃时，其Fe2O3含量降至58×10-6。考虑减少能耗，故酸浸温度选50℃左右。

3.1.4 酸浸时间

称取一定量经水洗后的石英砂，加入10%盐酸溶液，置于50℃恒温水浴锅中酸浸一定时间(酸溶液与石英砂的液固质量比为5∶1)，不同酸浸时间对石英砂除铁提纯效果的影响如图4所示。

图4 酸浸时间对石英砂除铁效果的影响

由图4可以看出，随着酸浸时间的延长，石英砂中杂质总含量逐渐减小，铁杂质的含量也逐渐减小，当酸浸时间为4h时，其杂质总含量降至0.3644%，Fe2O3含量降至86×10-6，继续延长酸浸时间，其杂质总含量和Fe2O3含量没有明显的变化，因此，酸浸时间选用4h较适合。

3.1.5 液固比

称取一定量经水洗后的石英砂，加入10%盐酸溶液，置于50℃恒温水浴锅中酸浸4h，不同液固比对石英砂提纯效果的影响如图5所示。

图5 液固比对石英砂除铁效果的影响

由图5可以看出，随着液固比的增大，石英砂中杂质的总含量和铁杂质的含量逐渐减小，当液固比为5时，其杂质总含量降至0.3688%，Fe2O3含量降至86×10-6，继续延长酸浸时间，其杂质总含量没有明显的变化，但是Fe2O3含量继续下降但幅度不大，因此，液固比选用5∶1较适合。

综上所述，酸浸提纯石英砂的最优工艺条件为：盐酸浓度10%、盐酸溶液与石英砂质量比为5∶1、酸浸温度45℃、酸浸时间4h。在此条件下，提纯后石英砂的杂质总含量为0.3372%、Fe2O3含量为71×10-6。

3.2 焙烧条件对除铁提纯效果的影响

3.2.1 焙烧温度

取一定量经酸浸最优条件下酸浸后的石英砂，在一定温度下焙烧2h，不同焙烧温度对石英砂除铁提纯效果的影响如图6所示。

图6 焙烧温度对石英砂除铁效果的影响

从图6可知：石英砂中铁含量和总杂质含量随温度的升高而急剧下降，但大于800℃时，铁含量随温度的升高而略有升高，因此，焙烧温度选为800℃较为适宜。

3.2.2 焙烧时间

取一定量经酸浸最优条件下酸浸后的石英砂，在800℃下焙烧，不同焙烧时间对石英砂除铁提纯效果的影响如图7所示。

图7 焙烧时间对石英砂除铁效果的影响

由图7可知，在开始的2h焙烧时间内，铁和杂质总含量均随时间的延长而快速下降，过了2h后焙烧时间对除铁提纯效果的影响很小。因此，焙烧时间选为2h较适宜。

综上所述，焙烧去除石英砂中铁杂质的最优工艺条件为：焙烧温度为800℃、焙烧时间为2h。经最优焙烧工艺处理后，石英砂中铁含量由71×10-6下降至38×10-6，杂质总含量由0.3372%下降至0.1142%，除杂效果较明显。

3.3 二次酸浸条件对除铁提纯效果的影响

3.3.1 酸液组成

取一定量经焙烧最优条件下焙烧后的石英砂，分别于不同组成的酸溶液中(HF∶HCl=1∶9，HF∶H2SO4=1∶9，HF∶H2SO4∶HCl=1∶4∶5)，置于45℃恒温水浴锅中酸浸2h(酸溶液与石英砂的液固质量比为2∶1)，不同酸溶液组成对石英砂除铁提纯效果的影响如图8所示。

图8 二次酸浸酸的组成对石英砂除铁效果的影响

由图8可知：后期单纯的盐酸的除铁效果不太理想，但添加了氢氟酸的除铁效果得到明显的改善，尤其是有盐酸和氢氟酸组成的混合酸的除杂效果最优。这是因为氢氟酸能与石英反应，使包裹在石英砂中的杂质暴露于表面，新生成的颗粒表面活性较高，有利于铁的氧化物与酸反应，促进其溶解。在盐酸和氢氟酸的混合酸中，石英砂中的铁杂质含量从38×10-6降低到21×10-6。因此，再次酸浸选用盐酸和氢氟酸的混合酸。

3.3.2 酸浸时间

取一定量经焙烧最优条件下焙烧后的石英砂，于10%混合酸(HF∶HCl=1∶9)溶液中，置于45℃恒温水浴锅中酸浸一定时间(酸溶液与石英砂的液固质量比为2∶1)，不同酸浸时间对石英砂除铁提纯效果的影响如图9所示。

图9 二次酸浸时间对石英砂除铁效果的影响

由图9可以看出，随着酸浸时间的延长，石英砂中杂质总含量逐渐减小，铁杂质的含量也逐渐减小，当酸浸时间为16h时，其杂质总含量降至9.6×10-5，Fe2O3含量降至8×10-6，达到高纯石英砂的指标。继续延长酸浸时间，其杂质总含量和Fe2O3含量没有明显的变化，因此，酸浸时间选用16h较适合。

综上所述，再次酸浸提纯石英砂的最优工艺条件为：混合酸浓度10%(HF∶HCl=1∶9)、溶液与石英砂质量比为2∶1、酸浸温度45℃、酸浸时间16h。在此条件下，提纯后石英砂的杂质总含量为9.6×10-5，Fe2O3含量为8×10-6。

4 结论

(1)采用“水洗—酸浸—焙烧—水碎—二次酸浸”的工艺，可以有效去除石英砂中的杂质，提纯后可达到高纯石英砂的指标，具有较好的工业应用前景。

(2)该工艺最优工艺参数为第一次酸浸最优条件：盐酸浓度10%、酸浸温度45℃、盐酸溶液与石英砂质量比5∶1、酸浸时间4h；焙烧最优条件：焙烧温度800℃、焙烧时间2h；二次酸浸最优条件：混酸浓度(HF∶HCl=1∶9)10%、酸浸温度45℃、盐酸溶液与石英砂质量比2∶1、酸浸时间16h。在此条件下，提纯后石英砂的杂质总含量为9.6×10-5、Fe2O3含量为8×10-6。

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